INVT变频器在拉丝机上的应用
时间：2023-10-16 阅读：14
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安平县金路丝网机械有限公司 -
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引言大部分使用拉丝机的国内金属加工企业来说，对变频调速器并不陌生，这是因为变频调速器很早之前就有在拉丝机械中得到广泛应用，但大多配置的都是国外品牌的变频器，原因是国内变频调速技术的研发与市场推广起步较晚，在一段时间内落后于国外变频器产品，无论从软件控制算法的*性，还是从硬件平台的稳定性上来讲，都有一定的差距。
国产变频行业经过十几年的发展，技术与市场推广都得到了长足的进步，所研制开发的产品也能够胜任绝大部分工业现场的需要。针对拉丝机械的应用特点，深圳市英威腾电气有限公司自主开发研制的INVT系列变频器，集矢量控制技术（VC、SVC）、转矩控制技术、V/F控制技术于一体，同时，设计了便于收线使用的同步控制功能和张力控制功能，真正全面解决了拉丝机的控制需要，从而打破进口品牌一统天下的局面。
拉丝机工艺简介
拉丝机，又名牵伸机。从产品终端来说，拉丝机可以分为大拉机、中拉机、小拉机、微拉机；从拉丝机内部控制方式和机械结构来说，又可以分为水箱式、滑轮式、直进式等主要的几种。对于不同要求，不同精度规则的产品，不同的金属物料，可选择不同规格的拉丝机械。对电线电缆生产企业，双变频控制的细拉机应用比较广泛，相对而言，其要求的控制性能也较低，而对大部分钢丝生产企业，针对材料特性，其精度要求和拉拔稳定度高，因此使用直进式拉丝机较多。尽管拉丝工艺不同，但其工作过程基本相同（如下图）：
●放线：金属丝的放线，对于整个拉丝机环节来说，其控制没有过高的精度要求，大部分拉丝机械，放线的操作是通过变频器驱动放线架实现的，但也有部分双变频控制的拉丝机械，甚至直接通过拉丝环节的丝线张力牵伸送进拉丝机，实现自由放线；
●拉丝：拉丝环节是拉丝机zui为重要的工作环节。不同金属物料，不同的丝质品种和要求，拉丝环节有很大的不同，文章的后面将详细说明水箱式拉丝机与直进式拉丝机具体操作过程；
●收线：收线环节的工作速度决定了整个拉丝机械的生产效率，也是整个系统zui难控制的部分。在收线部分，常用的控制技术有同步控制与张力控制实现金属制品的收卷；
下面，将以双变频控制水箱式拉丝机与多变频同步控制直进式拉丝机为例，介绍我公司产品在拉丝机行业的应用。
1、江苏某拉丝机厂细拉机双变频控制
1.1系统主要参数
工艺参数
电机参数
进线直径（mm）
1.1
主机
3．7KW/6极
出线直径（mm）
0.3～0.35
收卷
1．5KW/4极
1.2细拉机
双变频控制原理
系统为塔轮式水箱拉丝机。塔轮式水箱拉丝机，通过塔轮的速比，逐步拉伸金属丝，并允许金属丝在塔轮内打滑，因此，加工的金属丝必须韧性较好。此种拉丝机加工铜丝的场合应用较多。主机采用CHE100开环矢量变频器（CHE100-004G/5R5P-4），收卷采用CHF100高性能V/F控制变频器（CHF100-1R5G-4）。两台电机用同一个运行信号K1，并在收卷的运行信号上并联一个开关量信号K2。因为主机的减速时间较长（30s），收卷减速时间很短（0.1s），保证在有停机命令时，收卷变频器还可正常运行。其并联的运行信号K2由主机的集电极输出Y控制一个中间继电器给定。电气原理图如图2所示：
1.3速度同步控制
主控操作开关K1控制主机启停。牵引拉伸级变频器控制整个系统的运行线速度，控制面板上的电位器发出主机拉丝速度信号，此模拟电压信号（0~10V）通过AI1口输入拉丝机主变频器，作为其频率给定，决定伸线机总车速。同时，拉丝主变频器的运行频率，通过模拟量（AO）输出到收卷变频器（AI2），作为收卷变频器线速度同步给定。注意，对于收卷变频器所对应的运行频率应该等于收卷轮径zui大时的运行频率。卷曲级变频器输出频率跟随拉丝级变频器运行频率变化，考虑到设备机械特性、一定的速度要求,主机加减速时间设定为30s，收卷变频器加减速时间设定为0.1s。
在拉丝机出线端与收线端之间安装有张力摆杆，用来检测输出金属丝的张力，作为拉丝收线张力信号反馈输入收卷变频器，收卷变频器将此反馈量通过内部PID运算和各种补偿后，与收卷的当前同步速度（模拟量AI2输入）进行叠加，调节变频器的输出频率，从而控制收卷电机转速相对拉丝机出丝线速度达到同步，同时，也使线材张力保持了恒定。
1.4变频器主要功能参数设置
1.4.1主机变频器（CHE100-004G/5R5P-4）
P0.01：1端子指令通道；
P0.03：1AI1给定；
P0.08：30加速时间；
P0.09：30减速时间；
P6.00：1正转运行中；
P6.01：3故障输出；
1.4.2收卷级变频器（CHF100-1R5G-4）
P0.03：1外部端子运行
P0.07：0.1加速时间
P0.08：0.1减速时间
P3.01：6PID控制
P3.02：1AI2设定
P3.04：2A+B
P5.17：43AI2上限对应设定
P9.01：50PID给定值
P9.03：1PID为反特性
P9.04：10比例增益
P9.05：1.0积分时间
其他详情参见《CHE系列矢量变频器说明书》、《CHF通用变频器说明书》。
2、杭州某拉丝机厂直进式拉丝机变频控制
2.1直进式拉丝机简要说明
在金属制品生产及加工中，直进式拉丝机是zui常用的一种制造设备，在以前通常都采用电动机组及力矩电机来实现，但其控制的灵活性、自动化程度及能耗上，传统的控制方式越来越不适应行业的发展。随着控制技术和变频调速技术的大量推广，变频控制开始在直进式拉丝机中大量使用，系统并可借助PLC来实现拉丝速度、品种设定、过程闭环控制、定长控制等功能。
直进式拉丝机，是由多台拉伸电机同时对金属丝进行拉伸，作业的效率很高。由于不锈钢金属丝特性比较生脆，且不允许钢丝在模道内打滑，因此容易在拉伸的过程中拉断，故严格要求金属丝在各级模道中线速度同步，这样，对各级电机的同步控制性能、速度稳态精度以及电机的动态响应的快慢都有较高的要求。
2.2控制系统的描述
杭州某拉丝机厂，为专业的直进式拉丝机生产厂家。简易电气控制示意图如下，本系统共使用五台CHV100-015G-4高性能矢量变频器实现拉伸部分的传动控制，一台CHV100-7R5G-4高性能变频器配备张力控制卡进行收卷控制。每个模道前面都装有摆臂，采用位置传感器可以检测出摆臂的位置，用于检测金属丝的张力，该信号（0~10V）作为PID的反馈。6台电机都采用变频异步电机，同时带有机械制动装置。拉丝机系统的逻辑控制较为复杂，因工艺不同也有所区别，各级联动，由PLC控制。同步方面的控制则由变频器内部控制，其工作原理是：根据操作工在面板设定决定作业的速度，该速度的模拟信号进入PLC，PLC考虑加减速度的时间之后按照一定的斜率输出该模拟信号。这样做的目的主要是满足点动、穿丝等一些作业的需要。PLC输出的模拟电压信号同时接到所有变频器的AI2输入端，作为频率的主给定信号。各摆臂位置传感器的信号接入到对应的模道变频器作为PID控制的反馈信号。根据摆臂在中间的位置，设定一个PID的给定值。这个系统是非常典型的带前馈的PID控制系统，一级连一级，PID作为微调量与主给定作为叠加。
本拉丝系统的稳定状况在很大程度上取决于PID作用速度、变频器控制电机的转速精度、输出转矩的响应速度等，为了提高电机运行速度的稳态精度，在很多情况下也采用有PG矢量控制技术（英威腾的CHV100系列变频器的有PG矢量控制的稳态精度可达1/1000）来调节拉伸电机的速度，因此对其参数的设定必须考虑周全，在低速、中速、高速，以及加速和减速速等情况都需要加以考虑。
另外，收卷部分，是由CHV100加张力控制模块来实现的。收卷线速度是由zui后一级（第五级）模道控制变频器提供，作为卷径计算的线速度信号。系统的张力可通过电位器设定，收卷级变频器采用转矩控制，需要在收卷电动机的轴上安装编码器，编码器接入CHV100内置的PG卡，作为电机转速的采集输入。
其控制原理如下：
通过收卷的当前线速度（模拟量AI2输入），计算出当前收卷的卷曲直径。
计算方程式如下：D=（i×N×V）/（π×f）
其中i机械传动比N电机极对数V线速度f当前匹配频率
由设定的张力和卷筒的卷径（由线速度卷径计算模块获得）计算出变频器的输出转矩。
计算方程式为：T=（F×D）/（2×i）
其中：T变频器输出转矩F张力设定
D转筒的转径i机械传动比
从而控制电机输出相应的转矩，达到线材上张力F的恒定。
CHV100张力控制模块中，增加了转动惯量补偿，可以很好地解决张力控制系统在加、减速的过程中，因克服系统惯量而出现的张力不稳定的现象。
整个拉丝系统开动时，六台变频器同时起动，逐渐调节线速度给定，使系统加速，zui终达到要求的生产线速度。
2．3变频器主要参数的设置
2．3．1拉丝变频器
P0.011：端子指令通道
P0.036：PID控制设定
P0.040：模拟量AI2设定
P0.062：A+B
P9.000：键盘给定
P9.020：模拟通道AI1反馈
P0.03依据实际情况进行设定
P0.04依据实际情况进行设定
P0.05依据实际情况进行设定
P0.06依据实际情况进行设定
采样周期T（P0.07）、PID控制偏差极限（P0.08）、PID输出缓冲时间（P0.08）均依据实际情况进行设定。
2．3．2收卷变频器
P0.001：有PG矢量控制
P0.011：端子指令通道
P1.081：自由停车
P3.10PG参数（编码器线数，以实际情况为依准）
P5.021：S1端子功能选择：正转运行
PF.001：无张力反馈转矩控制
PF.010：收卷模式
PF.04zui大张力设置（以实际情况为依准）
PF.051：模拟量AI1作为张力设定
PF.11机械传动比（以实际情况为依准）
PF.12zui大卷曲直径
PF.14卷轴直径
PF.180：线速度法计算卷径
PF.22zui大线速度（以实际情况为依准）
PF.232：模拟量AI2作为线速度设定源
PF.33系统惯量补偿系数（以实际情况为依准）
其他详细情况请参阅《CHV矢量变频器说明书》及《CHV张力控制功能说明书》。
总结
在拉丝机的控制上，英威腾变频器构成的电气控制系统，结构简单、逻辑清晰，成本与原来相比还有较大的降低，而且，在拉丝工艺，节能上来讲，都是非常优良的方案。实践证明，上述两种控制方案，分别控制水箱式拉丝机与直进式拉丝机上，在同步和恒张力收线控制上完够满足工艺要求。