變頻收卷在拖拉式酸洗線中的應用

一、 前言
　　自70年代初開始，由于交流電力傳動技術及其控制理論的發展和提高，功率半導體器件（CTO，GRO等）技術的發展日趨完善，以及微電子技術和微處理器在電力拖動技術中的日益廣泛應用，使具有結構簡單，維護保養方便，價格低廉的交流鼠籠式感應電機得以在很多地方發揮它的效用。眾所周知，直流電機以其轉矩特性硬、調速范圍廣、過載能力強而著稱，但因電機結構所限，電機日常維護保養工作量大。刷架、整流子間電火花也使電機使用場合受限制，且一次性投資大。而由現代變頻器和交流電機組成的交流傳動系統，除具有上述直流控制特性，還在于投資較直流電機小，并可以做到零維護，使用壽命長。
二、變頻收卷的系統概述
1、張力控制的變頻收卷
　　卷取設備是整條酸洗線的主要設備之一，要求控制系統過載能力強、控制精度高、動態響應快，能隨時響應主速度變化率，從而達到卷取過程中張力控制的穩定性，在整個收卷的過程中都要保持恒定的張力。
　　張力設定在人機上設定，人性化的操作；使用先進的控制算法:卷徑的遞歸運算；空心卷徑啟動時張力的線性遞加；張力錐度計算公式的應用，轉矩補償的動態調整；卷徑的實時計算，精確度非常高，保證收卷電機輸出轉矩的平滑性能好。并且在計算卷徑時加入了卷徑的遞歸運算，在操作失誤的時候，能自己糾正卷徑到正確的數值。因為收卷裝置的轉動慣量是很大的，卷徑由小變大時。如果操作人員進行加速、減速、停車、再啟動時很容易造成堆鋼的現象。而進行了變頻收卷的后，在上述各種情況下，收卷都很穩定，張力始終恒定。而且經過PLC的處理，在特定的動態過程，加入一些動態的調整措施，使得收卷的性能更好。　　　
二. 變頻收卷系統構成
1． 系統框圖
　　用變頻器做恒張力控制的實質是死循環矢量控制，即加編碼器反饋。對收卷來說，收卷的卷經是由小到大變化的，為了保證恒張力，所以要求電機的輸出轉距要由小到大變化。同時在不同的操作過程，要進行相應的轉距補償。即小卷啟動的瞬間，加速，減速，停車，大卷啟動時，要在不同卷經時進行不同的轉距補償，這樣就能使得收卷的整個過程很穩定，避免小卷時張力過大；大卷啟動時松紗的現象

2． 變頻收卷的控制原理　　
　　* 卷徑的計算原理
　　根據V1=V2來計算收卷的卷徑。因為V1=ω1*R1, V2=ω2*Rx.因為在相同的時間內由測長輥走過的紗的長度與收卷收到的紗的長度是相等的。即L1/Δt=L2/Δt Δn1*C1=i*Δn2*C2(Δn1---單位時間內牽引電機運行的圈數、Δn2---單位時間內收卷電機運行的圈數、C1---測長輥的周長、C2---收卷盤頭的周長、i---減速比) Δn1*π*D1=Δn2*π*D2/i D2=Δn1*D1*i/Δn2,因為Δn2=ΔP2/P2(ΔP2---收卷編碼器產生的脈沖數、P2---收卷編碼器的線數). Δn1=ΔP1/P1取Δn1=1,即測長輥轉一圈,由霍爾開關產生一個信號接到PLC.那么D2=D1*i*P2/ΔP2,這樣收卷盤頭的卷徑就得到了.　　
　　* 收卷的動態過程分析
　　要能保證收卷過程的平穩性,不論是大卷、小卷、加速、減速、停車、啟動都能保證張力的恒定.需要進行轉矩的補償.整個系統要啟動起來,首先要克服靜摩擦力所產生的轉矩,簡稱靜摩擦轉矩,靜摩擦轉矩只在啟動的瞬間起作用;正常運行時要克服滑動摩擦力產生的滑動摩擦轉矩,滑動摩擦轉矩在運行當中一直都存在,并且在低速、高速時的大小是不一樣的。需要進行不同大小的補償,系統在加速、減速、停車時為克服系統的慣量,也要進行相應的轉矩補償,補償的量與運行的速度也有相應的比例關系.在不同車速的時候,補償的系數是不同的。即加速轉矩、減速轉矩、停車轉矩、啟動轉矩；克服了這些因素,還要克服負載轉矩,通過計算出的時實卷徑除以2再乘以設定的張力大小,經過減速比折算到電機軸.這樣就分析出了收卷整個過程的轉矩補償的過程。總結:電機的輸出轉矩=靜摩擦轉矩(啟動瞬間)+滑動摩擦轉矩+負載轉矩.<1>在加速時還要加上加速轉矩;<2>在減速時要減去減速轉矩.<3>停車時,因為是通過程序控制減速至設定的最低速,所以停車轉矩的補償同減速轉矩的處理.　　
　　* 轉矩的補償標準
　　(1) 靜摩擦轉矩的補償:因為靜摩擦轉矩只在啟動的瞬間存在,在系統啟動后就消失了.因此靜摩擦轉矩的補償是以計算后電機輸出轉矩乘以一定的百分比進行補償.
　　(2) 滑動摩擦轉矩的補償:滑動摩擦轉矩的補償在系統運行的整個過程中都是起作用的.補償的大小以收卷電機的額定轉矩為標準.補償量的大小與運行的速度有關系。所以在程序中處理時，要分段進行補償。
　　(3) 加減速、停車轉矩的補償：補償硬一收卷電機的額定轉矩為標準，相應的補償系數應該比較穩定，變化不大。　　
　　* 計算當中的公式計算
　　(1) 已知空芯卷徑Dmin=200mm,Dmax=1200mm;線速度的最大值Vmax=90m/min,張力設定最大值Fmax=50kg(約等于500牛頓);減速比i=9;速度的限制如下:
　　因為:V=π*D*n/i(對于收卷電機)=>收卷電機在空芯卷徑時的轉速是最快的.所以:90=3.14*0.2*n/9=>n=1290r/min;
　　(2) 因為我們知道變頻器工作在低頻時,交流異步電機的特性不好,啟動轉矩低而且非線性.因此在收卷的整個過程中要盡量避免收卷電機工作在2HZ以下.因此:收卷電機有個最低速度的限制.計算如下:
　　對于四極電機而言其同步轉速為:n1=60f1/p=>n1=1500r/min. =>2HZ/5HZ=N/1500=>n=60r/min
　　當達到最大卷徑時,可以求出收卷整個過程中運行的最低速.V=π*D*n/i=>Vmin=3.14*1.2*60/9=25.12m/min.張力控制時,要對速度進行限制,否則會出現飛車.因此要限速.
　　(3) 張力及轉矩的計算如下:如果F*D/2=T/i,=>F=2*T*i/D對于22KW的交流電機,其額定轉矩的計算如下:T=9550*P/n=>T=140N.m.所以Fmax=2*140*9/0.6=4200N.　　
　　* 硬件配置
　　 西門子PLC+艾默生TD3300變頻器+HITECH人機
四． 變頻收卷的控制原理及調試過程　　
　　* 卷徑的計算原理：根據V1=V2來計算收卷的卷徑。因為V1=ω1*R1,V2=ω2*Rx.因為在相同的時間內由測長輥走過的紗的長度與收卷收到的紗的長度是相等的。即L1/Δt=L2/Δt ,Δn1*C1=Δn2*C2/i(Δn1---單位時間內牽引電機運行的圈數、Δn2---單位時間內收卷電機運行的圈數、C1---測長輥的周長、C2---收卷盤頭的周長、i---減速比) Δn1*π*D1=Δn2*π*D2/i D2=Δn1*D1*i/Δn2,因為Δn2=ΔP2/P2(ΔP2---收卷編碼器產生的脈沖數、P2---收卷編碼器的線數). Δn1=ΔP1/P1取Δn1=1,即測長輥轉一圈,由霍爾開關產生一個信號接到PLC.那么D2=D1*i*P2/ΔP2,這樣收卷盤頭的卷徑就得到了.
　　* 收卷的動態過程分析　
　　要能保證收卷過程的平穩性,不論是大卷、小卷、加速、減速、激活、停車都能保證張力的恒定.需要進行轉矩的補償.整個系統要激活起來,首先要克服靜摩擦力所產生的轉矩,簡稱靜摩擦轉矩,靜摩擦轉矩只在激活的瞬間起作用;正常運行時要克服滑動摩擦力產生地滑動摩擦轉矩,滑動摩擦轉矩在運行當中一直都存在,并且在低速、高速時的大小是不一樣的。需要進行不同大小的補償,系統在加速、減速、停車時為克服系統的慣量,也要進行相應的轉矩補償,補償的量與運行的速度也有相應的比例關系.在不同車速的時候,補償的系數是不同的。即加速轉矩、減速轉矩、停車轉矩、激活轉矩；克服了這些因素,還要克服負載轉矩,通過計算出的實時卷徑除以2再乘以設定的張力大小,經過減速比折算到電機軸.這樣就分析出了收卷整個過程的轉矩補償的過程。總結:電機的輸出轉矩=靜摩擦轉矩(激活瞬間)+滑動摩擦轉矩+負載轉矩.<1>在加速時還要加上加速轉矩;<2>在減速時要減去減速轉矩.<3>停車時,因為是通過程控減速至設定的最低速,所以停車轉矩的補償同減速轉矩的處理.
　　* 轉矩的補償標準
　　(1). 靜摩擦轉矩的補償:因為靜摩擦轉矩只在激活的瞬間存在,在系統激活后就消　　失了.因此靜摩擦轉矩的補償是以計算后電機輸出轉矩乘以一定的百分比進行補償.
　　(2). 滑動摩擦轉矩的補償:滑動摩擦轉矩的補償在系統運行的整個過程中都是起作用的.補償的大小以收卷電機的額定轉矩為標準.補償量的大小與運行的速度有關系。所以在程序中處理時，要分段進行補償。　
　　(3). 加減速、停車轉矩的補償：補償硬一收卷電機的額定轉矩為標準，相應的補償系數應該比較穩定，變化不大。
　　* 計算當中的公式計算　
　　(1). 已知空芯卷徑Dmin=200mm,Dmax=1200mm;線速度的最大值Vmax=90m/min,張力設定最大值Fmax=50kg(約等于500牛頓);減速比i=9;速度的限制如下:
　　因為:V=π*D*n/i(對于收卷電機)=>收卷電機在空芯卷徑時的轉速是最快的.所以:90=3.14*0.2*n/9=>n=1290r/min;　
　　(2). 因為我們知道變頻器工作在低頻時,交流異步電機的特性不好,激活轉矩低而且非線性.因此在收卷的整個過程中要盡量避免收卷電機工作在2HZ以下.因此:收卷電機有個最低速度的限制.計算如下:
　　對于四極電機而言其同步轉速為:n1=60f1/p=>n1=1500r/min. =>2HZ/5HZ=N/1500=>n=60r/miｎ當達到最大卷徑時,可以求出收卷整個過程中運行的最低速.V=π*D*n/i=>Vmin=3.14*1.2*60/9=25.12m/min.張力控制時,要對速度進行限制,否則會出現飛車.因此要限速.
　　(3). 張力及轉矩的計算如下:如果F*D/2=T/i,=>F=2*T*i/D對于22KW的交流電機,其額定轉矩的計算如下:T=9550*P/n=>T=140N.m.所以Fmax=2*140*9/0.6=4200N.(其中P為額定功率,n為額定轉速).
　　* 調試過程：
　　 1．先對電機進行自整定，將電機的定子電感、定子電阻等參數讀入變頻器。
　　2．將編碼器的信號接至變頻器，并在變頻器上設定編碼器的線數。然后用面板給定頻率和啟停控制，觀察顯示的運行頻率是否在設定頻率的左右波動。因為運用死循環矢量控制時，運行頻率總是在參
考編碼器反饋的速度，最大限度的接近設定頻率，所以運行頻率是在設定頻率的附近震蕩的。
　　3．在程序中設定空芯卷徑和最大卷徑的數值。通過前面卷徑計算的公式算出電機尾部所加編碼器產生的最大脈沖量（P2）和最低脈沖量 ( P2 ).通過算出的最大脈沖量對收卷電機的速度進行限定，因為變頻器用作張力控制時，如果不對最高速進行限定，一旦出現斷紗等情況，收卷電機會飛車的。最低脈沖量是為了避免收卷變頻器運行在2Hz以下，因為變頻器在2Hz以下運行時，電機的轉距特性很差，會出現抖動的現象。　
　　4．通過前面分析的整個收卷的動態過程，在不同卷徑和不同運行速度的各個階段，進行一定的轉距補償.補償的大小，可以以電機額定轉距的百分比來設定。　
　　張力控制可以分成直接張力控制/間接張力控制.單純依靠轉矩控制是可以完成間接恒張力控制的.直接張力控制采用傳感器反饋,變頻器工作與速度模式,通過調節器的作用,保證系統的張力恒定,這種方式,對變頻器要求不是很高. 間接張力控制是通過控制電機的輸出轉矩,然后測量或者計算(616g5只能測量,3300可以自己計算)卷曲的半徑,半徑乘以社設定的張力,就等于扭矩,扭矩考慮傳動比什么的,就是電機的轉矩,頂級的變頻器,轉矩的控制精度大約可以到達2%左右.這與速度的控制精度相比,相差很遠,但是對于張力控制,已經是挺高的指標了.
　　張力的控制,需要考慮的因素很多,系統的慣量,材料的慣量,摩擦,彎曲力矩等等,錐度,軟件比較復雜,這就是通常說的"卷繞宏".td3300的軟件是不另外收費的.有一點我一直不是很明白,請y4511,存在幫助釋疑:丹佛斯的變頻器不旋轉進行辨識參數,那么張力控制時候轉動慣量怎么計算?在加減速度的過程中,轉動慣量對張力控制的好壞是絕對重要的啊.
3 卷取控制
　　卷取系統，負載轉矩主要是張力與卷筒半徑的乘積。當卷徑比大于1:3時，張力下跌變得明顯，此時就要考慮轉矩補償，來維持張力的恒定。因此，負載轉矩是個變量，最直接的方法是增設張力傳感器，檢測張力，實現張力閉環控制--直接張力控制。也可間接控制，即將卷徑變量檢出，與外部轉矩設定量進行數學運算，結果即為實際轉矩的設定量，如果補償得當，被控電機能以恒功率狀態運行，從而保證軋制全程張力恒定。(系統框圖見圖1)