四方變頻器在直進式拉絲機的應用

1 前言
在冶金行業拉絲機是金屬線材生產的重要設備，主要功能是將各種線材拉成所需各種規格的細絲，從工作形式上分為直進式、活套式、水箱式等。其中直進式拉絲機應當代表著最先進的生產技術設備，同時在電氣控制上也是最難控制的一種。
可以說在直進式拉絲機生產中電氣控制系統決定著產品質量和生產效率。在深圳某拉絲機設備制造廠，原來一直由河北某工程公司做的電氣控制系統，這套系統在高速運行時，出現張力不太穩定造成容易斷線，這就直接影響了客戶的設備質量，所以該設備廠需要一套更完善的電氣系統，代替現有的電氣系統以提高其市場競爭力。下面就該設備制造廠現以四方E380拉絲機專用變頻器、LG（LS）PLC、WEINVIEW人機界面組成電氣控制系統，來說明此系統在直進式拉絲機中的應用及效果。
2 生產工藝要求
該設備由活套、放卷筒和七個拉絲卷筒組成，根據要生產線材的規格，在各道卷筒前面安裝相應的拉絲模，拉絲模由大到小，到最末一道為所要求規格的產品線徑。線材由活套經放卷筒出來后經過第一道拉絲模到第一個卷筒，從第一個卷筒再到第二個拉絲模，這樣一級一級拉下去，到最后一個為收卷筒。各卷筒之間有一個汽缸擺臂，用于位移傳感器把張力反饋到變頻器，變頻器根據反饋信號作PID閉環控制，使其各個卷筒之間張力保持恒定。工藝要求在要更換接絲模的情況下直接把模具規格輸入人機界面，變換拉絲模之后整個系統照樣能正常生產運行。工藝簡圖如下圖所示：

3 系統控制原理
直進式拉絲機在設計時每級電機與卷筒的速比不同，越后一級速比越大，同時各級拉模孔徑的不同，線材直徑由大到小發生變化，而每個時刻通過拉模線材的秒流量體積不變，這樣線材的的變化也會使速比發生變化。在實際生產當中生產的線材規格不同，就需更換拉絲模，這樣速比也會發生變化；在邏輯控制上，線材從放卷到1#卷筒再到最后一級的收卷是一步一步往下運行過程，在穿線時運行1#卷筒，放卷電機與1#電機爬行，線材穿到2#卷筒時，放卷、1#、2#聯動爬行。依此類推當線材穿到收卷筒時，前面所有的電機都要求可以聯動爬行。同時各個卷筒也可以單獨點動。所以針對每個卷筒要有開關來控制，包括聯動、手動、急停、腳踏點動開關；收卷筒是自行滑動的錐形卷筒，在收卷時直徑一般不會變化。基于此原理：
人機界面上有系統運行及停止等邏輯開關，報警信息（任何一臺變頻器出現意外故障，整個系統停機并提示操作人員）、顯示當前生產線速度（根據收卷筒轉速和卷筒直徑通過PLC計算得出），同時設定各道拉絲模的孔徑和系統運行頻率。
PLC處理所有邏輯關系和計算。以最后一臺收卷電機運行頻率為基準，從屏上得到各道模的孔徑，再綜合機械傳動比計算出各卷筒電機的頻率。考慮成本及四方變頻器便利的的通訊功能，各級電機的運行頻率信號無需D/A模塊輸出模擬量來控制，直接通過PLC與變頻器的485通訊口發送實時頻率。變頻器的運行及停機信號用外部端子由PLC輸出開關量來控制。
由于接絲模的變化使各級卷筒之間的速比發生變化，這樣就會影響在加減速過程中線材的張力。但四方變頻器特有的加減速時間與聯動比例存在某種對應關系，所以在停機和啟動運行過程中，無需如其它品牌變頻器一樣在加速和減速時，其當前運行頻率要運用一定的的斜率使其加速運行或減速停機。在點動和爬行時不用變頻器的點動功能而用運行信號控制，這樣就避免了更換拉絲模引起的在系統爬行時的斷線。
變頻器在PLC給定頻率及運行信號后，通過傳感器反饋回的0-10V信號作內部PID自調節，E380系列變頻器通過帶前饋補償的PID控制，可以實現高度穩定的張力控制。系統控制簡圖如下：

4 調試
各準備工作完成后就可以調試，調試時按穿線材的順序一級一級往下調，前一級調好再調下一級，先手動再聯動，先低速再高速。
各汽缸擺臂與傳感器的位置會因為機械誤差不同而有所不同，在調試初期校正好各傳感器位置的最大值和最小值，要對應變頻器反饋通道的最大和最小值，此值在監控菜單“D-9”可以看到，合理的數值對應范圍應最大值是100，最小值是0。按傳感器的位置來設定PID調節的目標值，PID根據目標值進行自調整。放卷筒上面有一個滑輪，在運行時可自行打滑，速度的快慢可以在屏上通過設置一個線速度系數自由調節。整個系統運行是以收卷電機為基準，所以放卷和收卷變頻器不需要PID功能調節，可以在通用模式下運行。
整個系統調試的關鍵是在啟動、減速停機和PID調節的設置上，在調試初期啟動和停機又是重點。
從以上工藝圖可以看出，張力反饋裝置安裝在卷筒的后面。在最初穿線材到每個卷筒上，先點動，調節好再與前一級聯動，如果前一級出現松線的狀況，那可能是前一級的PID限幅的原因，需把PID限幅適當增大（參數F7.8）。在收卷電機之前的調節，因為每個卷筒電機都是在PID模式下控制運行，如果最后一個聯動電機以這種模式下運行。運行時卷筒后面會因為沒有線材，使汽缸擺臂在最大位置，反饋信號影響當前電機的運行速度，最終必會受到PID限幅的限制，而每一級的聯動比例不同，PID的限幅的幅度也不一樣。這樣可能就會產生前一級的松線。根據此種情況從前一級到后一級，PID的限幅要慢慢變小。這級聯動調好后再往下穿，調下一級的點動，這樣一級串一級往下調節，一直到收卷電機。
在聯動控制模式下啟動低速運行，然后停機，看各卷筒之間停機后的張力情況，線材太松把相關聯后一級的電機直流制動起始頻率適當的的減小（參數F4.4），線材太緊就查看變頻器內部D-9的值，此值為位移傳感器張力反饋值，如果D-9的值大于PID給定值，就有必要把相應電機的直流制動起始頻率適當提高。每次修改以最少單位進行加或減，每次不能更改過大，通過多次反復調節，直到調合適為止，停機時D-9的值大于10小于PID給定值為好。根據拉絲機的工藝從前一級到后一級，制動起始頻率設置由小到大進行設置。
停機調好后啟動系統低速運行。根據生產工藝流程，在系統運行當中線材的振動都是后一級振動影響前一級振動，PID參數設置不合理很容易把這種一級串一級擴大化，最終就有可能PID調試跟不上產生斷線。在設置PID參數時，P值在1#機到收卷機由大變小，I值相反由小到大，D值設置好以后盡量不要變化。以這種模式設置的目的就是當后一級發生振動時，必定會影響前面幾級的張力穩定性，然后通過前面幾級一級一級逐步減弱直到消除，最后保持整個系統張力的穩定。
用E380拉絲機專用變頻器組成的電氣系統，運行頻率是PLC直接以廣播形式發送統一頻率到各變頻器，各變頻器的聯動比例，是以收卷電機為基準，根據拉絲模的參數和機械傳動比例，通過屏送到PLC，由PLC計算出來，把機臺之間的聯動比例發送各變頻器EEPROM區，聯動比例參數只有在更換拉絲模時才更改。運行時E380變頻器根據聯動比例，內部自行調節加減速時間，以保持在加速和減速過程中恒定的張力而不斷線。各臺變頻器的加速時間與減速時可以完成設置一樣，加速在15S-50S。減速在10S以內。正因為如此所以在加減速時間上，克服了一般拉絲機系統存在加減速時間過短，引起的斷線問題。
在調試初期可以啟動變頻器的聯動比例自矯正功能，在低速運行時從各臺變頻器鍵盤上直接讀取運行頻率，最快找到最佳的聯動比例，無需通過人為計算，為調試節省時間。對變頻器設置參數時要根據現場機械特點進行設置，由于機械的誤差有的參數可能不盡相同。
各臺變頻器主要參數設置如下：

5 調試效果
用四方E380拉絲機專用變頻器組成的直進式拉絲機電氣系統，在調試完畢優化參數之后。通過測試在更換模具后的系統穩定性。最后設備正常生產的線速度比原來的電氣控制系統提高了三分之一，整個系統在高速運行時關鍵的幾個環節（加速、PID調節、減速）張力都保持的非常穩定，如果機械設備再改進一些，把普通電機換成變頻電機。速度完全可以再往上提。電氣系統的完善也極大的提高了客戶產品在市場上的競爭力。