C320系列在拉絲機械上的應用

——無傳感器電流矢量型變頻器應用之二
1、引言
對于大部分使用拉絲機的國內金屬加工企業來說，國產拉絲機械產品已經能夠被接受替代國外高端的產品，拉絲機械主要配套國外變頻器，主要原因有兩個，一是國產變頻器技術在一段時間內落后于國外變頻器廠家，無論從控制算法的先進性，可實現性，還是從硬件平臺的簡易性，穩定性都有一定的差距。二是對于大部分國外拉絲機械設備生產商來說，也傾向于配套國外變頻器和 PLC 。國產變頻行業經過 5 年的發展，已經證明絕大部分性能已經滿足現場需要。針對拉絲機械配套市場， 四方變頻器 C320 系列 配置先進快速的 PID 控制算法，針對各種不同的拉絲機械，均能夠實現較為簡潔方便的拉絲機控制方式。
2、拉絲機工作分析
從產品終端來說，拉絲機可以分為大拉機，中拉機，小拉機，微拉機。而從拉絲機內部控制方式和結構來說，可以分為水箱式，滑輪式，直進式等主要的幾種。對于不同要求，不同精度規則的產品，不同的金屬物料，可選擇不同規格的拉絲機械。對電線電纜生產企業，雙變頻控制的細拉機應用比較廣泛，相對而言，其要求的控制性能也較低，而對大部分鋼絲生產企業，針對材料特性，其精度要求和拉拔穩定度高，因此使用直進式拉絲機較多，不同的拉絲機械，其工作過程基本相同：
• 放線 : 金屬絲的放線速度，對于整個拉絲機環節來說，其控制沒有過高精度要求，對部分雙變頻控制的拉絲機械，甚至可以通過拉絲環節的絲線張力通過一圓盤拉伸。對大部分拉絲機械，放線的控制是通過變頻器驅動放線機實現的。
• 拉絲 : 拉絲環節是拉絲機最為重要的環節。不同金屬物料，不同的產品精度和要求，拉絲環節有很大的不同，雙變頻控制拉絲機拉絲部分與放線部分共用一臺電機，金屬絲通過內部塔輪的導引，經過模具而逐步拉伸。而直進式拉絲機拉伸效率較高，對每一道拉絲工序，都需要一臺電機帶動，因此其控制也最為復雜。

• 收線 : 收線環節的工作速度決定了整個拉絲機械的生產效率，因此也是整個拉絲機工作的控制源，一般通過一個主機 PLC 或人機操控系統直接控制的變頻器驅動收線機。
3、拉絲機械工作原理分析
雙變頻式拉絲機的控制流程: 主控操作面板設定 PLC 輸出收線信號，此信號通過 PLC 頻率修正后給定至收線控制 1# 變頻器，金屬制成品于收線端通過一安裝有張力傳感器的導輪，輸出金屬絲張力信號，作為拉絲收線張力信號反饋輸入到 1# 變頻器， 1# 變頻器通過內置 PID 閉環控制，決定輸出頻率，此輸出頻率通過主控系統或者 PLC 綜合，輸出對 2# 拉絲環節控制電機的控制，由于對產品精度和拉拔要求不高，金屬絲在通過不同模具時的速度差異通過機械機構實現，而不必要對每道拉拔都實現閉環控制。
使用變頻器的典型直進式系統控制如圖 2 ，操作面板和 PLC 負責設定和監控各個環節的參數，通過變頻器的各個設定端子，直接進行各個拉絲卷筒控制變頻器狀態共享。收線卷筒電機的運行頻率通過主操控 PLC 輸出給定。收線電機的運行頻率，直接決定了上一級 (5#) 電機的運行速度，為了保證張力基本恒定以保證金屬產品的品質，拉絲環節 (1-5#) 電機的主控速度通過 PLC 綜合下一級電機的頻率給定，單獨主頻率給定信號滿足不了產品生產要求，容易造成斷線故障，因為在直進式各個拉絲道中，拉絲的效率較高，各個卷筒間絲線張力很不一致，致使各個拉絲卷筒間絲線半徑精度不高，為達到生產要求，一般以本級電機張力傳感信號為頻率設定輔助信號反饋，通過調節輥輸出的是角度信號，角度信號經過凸輪變成直線式位移信號，位移傳感器檢測直線位移信號輸出 0 ～ 10 V 的電壓信號，此信號做為內部 PID 的反饋信號。
主控制信號控制變頻器時，必須考慮機械慣性，按一定的斜率輸出，即通過一頻率斜坡發生器產生變頻器主控制信號。發生器的斜率可針對不同機械的特性而設定。輔助信號由內置 PID 環節輸出，它決定了當前拉絲機的動態特性，在整個信號給定中，當輔助信號所占比例較大時，轉速將出現大的振蕩而較難穩定，當輔助信號占比例較小時，其控制跟隨速度較慢。因此須在主控 PLC 或變頻器內部對輔助頻率進行限幅，通過簡單的比例關系，設定主給定信號和拉絲機本身閉環給定信號的比例關系即可實現，對大部分拉絲機，使其 PID 頻率限幅在 10% 左右。
拉絲機各個卷筒控制電機頻率主信號給定需要進行修正和補償，這是由于拉絲機工作特性決定的。 根據金屬絲體積秒流量相等的原則，設上一級模具出線半徑為 A ，線速度為 V A ，經過當前級模具拉伸后半徑為 B ，速度為 V B ，則變速比滿足下式：
V A / V B = B 2 /A 2 ( 公式 1)
4、四方 C320系列變頻器優勢介紹
• 使用轉速和電流閉環的無傳感器矢量控制方式，快速的速度和轉矩閉環，減免了測速機構，實現較高的控制精度和控制性能。
• 高性能的低頻轉矩特性， 150% 的起動轉矩， 100% 的零頻預勵磁輸出。
• 先進的內置 PID 閉環控制算法，確保 PID 控制器性能達到最優，最大限度方便客戶的 PID 控制器參數設置。
• 高速的控制 CPU 內核，保證了控制性能的快速性，高達 100% 的直流制動力矩，對尤其是拉絲機等具有沖擊性的負載，保證了其快速的響應特性，確保拉絲機停機不斷線。
• 完善的故障保護功能，最大限度地對拉絲機械和變頻器本身進行保護。
5、結束語
四方 C 系列變頻器 的高性能和完善的功能，使其在各個行業得到了廣泛的應用，對于部分 V/F 變頻器滿足不了的要求高場合，其優勢更為明顯。四方變頻器在拉絲機械上使用中，免除了客戶端繁雜的外部設備，內置 PID 的調節方便簡練，即使故障停機狀態，也很少出現斷線，節電效果明顯。