三碁S5300/5350張力變頻器拉絲機(jī)應(yīng)用
一、概述
在 金屬制品生產(chǎn)及加工中，直進(jìn)式拉絲機(jī)是最常用的一種制造設(shè)備，在以前通常都采用電動(dòng)機(jī)組及力矩電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但其控制的靈活性、自動(dòng)化程度及能耗上，傳統(tǒng)的 控制方式越來(lái)越不適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展。隨著控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)的大量推廣，變頻控制開(kāi)始在直進(jìn)式拉絲機(jī)中大量使用，系統(tǒng)并可借助 PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)拉絲速 度、品種設(shè)定、過(guò)程閉環(huán)控制、定長(zhǎng)控制等功能。 直進(jìn)式拉絲機(jī)，是由多臺(tái)拉伸電機(jī)同時(shí)對(duì)金屬絲進(jìn)行拉伸，作業(yè)的效率很高。由于不銹鋼金屬絲特性比較生脆， 且不允許鋼絲在模道內(nèi)打滑，因此容易在拉伸的過(guò)程中拉斷，故嚴(yán)格要求金屬絲在各級(jí)模道中線速度同步，這樣，對(duì)各級(jí)電機(jī)的同步控制性能、速度穩(wěn)態(tài)精度以及電 機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快慢都有較高的要求。
二、控制系統(tǒng)的描述
直 進(jìn)式拉絲機(jī),簡(jiǎn)易電氣控制示意圖如上圖，本系統(tǒng)共使用五臺(tái)S5300 高性能矢量變頻器實(shí)現(xiàn)拉伸部分的傳動(dòng)控制，和一臺(tái)S5350 高性能變頻器配備PG 卡進(jìn)行收卷控制。每個(gè)模道前面都裝有擺臂，采用位置傳感器可以檢測(cè)出擺臂的位置，用于檢測(cè)金屬絲的張力，該信號(hào)（0~10V）作為 PID的反饋。6 臺(tái) 電機(jī)都采用變頻異步電機(jī)，同時(shí)帶有機(jī)械制動(dòng)裝置。拉絲機(jī)系統(tǒng)的邏輯控制較為復(fù)雜，因工藝不同也有所區(qū)別，各級(jí)聯(lián)動(dòng)，由 PLC 控制。同步方面的控制則由 變頻器內(nèi)部控制，其工作原理是：根據(jù)操作工在面板設(shè)定決定作業(yè)的速度，該速度的模擬信號(hào)進(jìn)入 PLC，PLC 考慮加減速度的時(shí)間之后按照一定的斜率輸出 該模擬信號(hào)。這樣做的目的主要是滿足點(diǎn)動(dòng)、穿絲等一些作業(yè)的需要。PLC 輸出的模擬電壓信號(hào)同時(shí)接到所有變頻器的 AVI 輸入端，
作為頻率的主給定信號(hào)。各擺臂位置傳感器的信號(hào)接入到對(duì)應(yīng)的模道變頻器作為 PID 控制的反饋信號(hào)。根據(jù)擺臂在中間的位置，設(shè)定一個(gè) PID 的給定值。這個(gè)系統(tǒng)是非常典型的帶前饋的 PID 控制系統(tǒng)，一級(jí)連一級(jí)，PID 作為微調(diào)量與主給定作為疊加。
本 拉絲系統(tǒng)的穩(wěn)定狀況在很大程度上取決于 PID 作用速度、變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速精度、輸出轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)速度等，為了提高電機(jī)運(yùn)行速度的穩(wěn)態(tài)精度，在很多情 況下也采用有PG 矢量控制技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)拉伸電機(jī)的速度，因此對(duì)其參數(shù)的設(shè)定必須考慮周全，在低速、中速、高速，以及加速和減速速等情況都需要加以考慮。
另 外，收卷部分，是由S5350加PG卡來(lái)實(shí)現(xiàn)的。收卷線速度是由最后一級(jí)（第五級(jí)）模道控制變頻器提供，作為卷徑計(jì)算的線速度信號(hào)。系統(tǒng)的張力可通過(guò)電位 器設(shè)定，收卷級(jí)變頻器采用轉(zhuǎn)矩控制，需要在收卷電動(dòng)機(jī)的軸上安裝編碼器，編碼器接入S5350的 PG 卡，作為電機(jī)轉(zhuǎn)速的采集輸入。
其控制原理如下
通過(guò)收卷的當(dāng)前線速度（模擬量 AVI 輸入），計(jì)算出當(dāng)前收卷的卷曲直徑。
計(jì)算方程式如下：D =（i×N×V）/(π×f)
其中: i–機(jī)械傳動(dòng)比; N–電機(jī)極對(duì)數(shù);V–線速度; f–當(dāng)前匹配頻率.
由設(shè)定的張力和卷筒的卷徑（由線速度卷徑計(jì)算模塊獲得）計(jì)算出變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩。
計(jì)算方程式為：T =（F×D）/（2×i）
其中：T–變頻器輸出轉(zhuǎn)矩; F–張力設(shè)定;D–轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)徑; i–機(jī)械傳動(dòng)比.
從而控制電機(jī)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，達(dá)到線材上張力 F 的恒定。
S5350 張力控制專用系列，增加了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償，可以很好地解決張力控制系統(tǒng)在加、減速的過(guò)程中，因克服系統(tǒng)慣量而出現(xiàn)的張力不穩(wěn)定的現(xiàn)象。
整個(gè)拉絲系統(tǒng)開(kāi)動(dòng)時(shí)，六臺(tái)變頻器同時(shí)起動(dòng)，逐漸調(diào)節(jié)線速度給定，使系統(tǒng)加速，最終達(dá)到要求的生產(chǎn)線速度。
三、總結(jié)
在拉絲機(jī)的控制上，S5300/S5350變頻器構(gòu)成的電氣控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、邏輯清晰，成本與原來(lái)相比還有較大的降低，而且在拉絲工藝，節(jié)能上來(lái)講，都是非常優(yōu)良的方案。實(shí)踐證明，此控制方案，在同步和恒張力收線控制上完全能夠滿足工藝要求。