基于NBB變頻器實(shí)現(xiàn)電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

拉絲機(jī)工藝簡介

大部分使用拉絲機(jī)的國內(nèi)金屬加工企業(yè)來說，對變頻調(diào)速器并不陌生，這是因?yàn)樽冾l調(diào)速器很早之前就有在拉絲機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用，拉絲機(jī)，又名牽伸機(jī)。從產(chǎn)品終端來說，拉絲機(jī)可以分為大拉機(jī)、中拉機(jī)、小拉機(jī)、微拉機(jī)；從拉絲機(jī)內(nèi)部控制方式和機(jī)械結(jié)構(gòu)來說，又可以分為水箱式、滑輪式、直進(jìn)式等主要的幾種。對于不同要求，不同精度規(guī)則的產(chǎn)品，不同的金屬物料，可選擇不同規(guī)格的拉絲機(jī)械。對電線電纜生產(chǎn)企業(yè)，雙變頻控制的細(xì)拉機(jī)應(yīng)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(chǎn)企業(yè)，針對材料特性，其精度要求和拉拔穩(wěn)定度高，因此使用直進(jìn)式拉絲機(jī)較多。盡管拉絲工藝不同，但其工作過程基本相同（如下圖）：

●放線：金屬絲的放線，對于整個(gè)拉絲機(jī)環(huán)節(jié)來說，其控制沒有過高的精度要求，大部分拉絲機(jī)械，放線的操作是通過變頻器驅(qū)動(dòng)放線架實(shí)現(xiàn)的，但也有部分雙變頻控制的拉絲機(jī)械，甚至直接通過拉絲環(huán)節(jié)的絲線張力牽伸送進(jìn)拉絲機(jī)，實(shí)現(xiàn)自由放線；

●拉絲：拉絲環(huán)節(jié)是拉絲機(jī)最為重要的工作環(huán)節(jié)。不同金屬物料，不同的絲質(zhì)品種和要求，拉絲環(huán)節(jié)有很大的不同，文章的后面將詳細(xì)說明水箱式拉絲機(jī)與直進(jìn)式拉絲機(jī)具體操作過程；

●收線：收線環(huán)節(jié)的工作速度決定了整個(gè)拉絲機(jī)械的生產(chǎn)效率，也是整個(gè)系統(tǒng)最難控制的部分。在收線部分，常用的控制技術(shù)有同步控制與張力控制實(shí)現(xiàn)金屬制品的收卷；

下面，將以雙變頻控制水箱式拉絲機(jī)與多變頻同步控制直進(jìn)式拉絲機(jī)為例，介紹我公司產(chǎn)品在拉絲機(jī)行業(yè)的應(yīng)用。

1、青島膠州某拉絲機(jī)廠細(xì)拉機(jī)雙變頻控制

1.1 系統(tǒng)主要參數(shù)

1.2 細(xì)拉機(jī)

雙變頻控制原理

系統(tǒng)為塔輪式水箱拉絲機(jī)。塔輪式水箱拉絲機(jī)，通過塔輪的速比，逐步拉伸金屬絲，并允許金屬絲在塔輪內(nèi)打滑，因此，加工的金屬絲必須韌性較好。此種拉絲機(jī)加工銅絲的場合應(yīng)用較多。主機(jī)采用開環(huán)矢量變頻器（NBB-BR5R5G-4），收卷采用高性能V/F控制變頻器（NBB-BR1R5G-4）。兩臺電機(jī)用同一個(gè)運(yùn)行信號K1，并在收卷的運(yùn)行信號上并聯(lián)一個(gè)開關(guān)量信號K2。因?yàn)橹鳈C(jī)的減速時(shí)間較長（30s），收卷減速時(shí)間很短（0.1s），保證在有停機(jī)命令時(shí)，收卷變頻器還可正常運(yùn)行。其并聯(lián)的運(yùn)行信號K2由主機(jī)的集電極輸出Y控制一個(gè)中間繼電器給定。電氣原理圖如圖2所示：

1.3 速度同步控制

主控操作開關(guān)K1控制主機(jī)啟停。牽引拉伸級變頻器控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行線速度，控制面板上的電位器發(fā)出主機(jī)拉絲速度信號，此模擬電壓信號（0～10V）通過AI1口輸入拉絲機(jī)主變頻器，作為其頻率給定，決定伸線機(jī)總車速。同時(shí)，拉絲主變頻器的運(yùn)行頻率，通過模擬量（AO）輸出到收卷變頻器（AI2），作為收卷變頻器線速度同步給定。注意，對于收卷變頻器所對應(yīng)的運(yùn)行頻率應(yīng)該等于收卷輪徑最大時(shí)的運(yùn)行頻率。卷曲級變頻器輸出頻率跟隨拉絲級變頻器運(yùn)行頻率變化，考慮到設(shè)備機(jī)械特性、一定的速度要求，主機(jī)加減速時(shí)間設(shè)定為30s，收卷變頻器加減速時(shí)間設(shè)定為0.1s。

在拉絲機(jī)出線端與收線端之間安裝有張力擺桿，用來檢測輸出金屬絲的張力，作為拉絲收線張力信號反饋輸入收卷變頻器，收卷變頻器將此反饋量通過內(nèi)部PID運(yùn)算和各種補(bǔ)償后，與收卷的當(dāng)前同步速度（模擬量AI2輸入）進(jìn)行疊加，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，從而控制收卷電機(jī)轉(zhuǎn)速相對拉絲機(jī)出絲線速度達(dá)到同步，同時(shí)，也使線材張力保持了恒定。

1.4 變頻器主要功能參數(shù)設(shè)置

1.4.1 主機(jī)變頻器（NBB-BH7R5G-4高性能矢量變頻器）

P0.01：1端子指令通道；

P0.03：1AI1給定；

P0.08：30加速時(shí)間；

P0.09：30減速時(shí)間；

P6.00：1正轉(zhuǎn)運(yùn)行中；

P6.01：3故障輸出；

1.4.2 收卷級變頻器（CHF100-1R5G-4）

P0.03：1外部端子運(yùn)行

P0.07：0.1加速時(shí)間

P0.08：0.1減速時(shí)間

P3.01：6PID控制

P3.02：1AI2設(shè)定

P3.04：2A+B

P5.17：43AI2上限對應(yīng)設(shè)定

P9.01：50PID給定值

P9.03：1PID為反特性

P9.04：10比例增益

P9.05：1.0積分時(shí)間

其他詳情參見《NBB-BH高性能系列矢量變頻器說明書》、《NBB通用變頻器說明書》。

2、杭州某拉絲機(jī)廠直進(jìn)式拉絲機(jī)變頻控制

2.1 直進(jìn)式拉絲機(jī)簡要說明

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，變頻控制開始在直進(jìn)式拉絲機(jī)中大量使用，系統(tǒng)并可借助PLC來實(shí)現(xiàn)拉絲速度、品種設(shè)定、過程閉環(huán)控制、定長控制等功能。

直進(jìn)式拉絲機(jī)，是由多臺拉伸電機(jī)同時(shí)對金屬絲進(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程中拉斷，故嚴(yán)格要求金屬絲在各級模道中線速度同步，這樣，對各級電機(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。

2.2 控制系統(tǒng)的描述

杭州某拉絲機(jī)廠，為專業(yè)的直進(jìn)式拉絲機(jī)生產(chǎn)廠家。簡易電氣控制示意圖如下，本系統(tǒng)共使用五臺NBB-BH7R5G-4高性能矢量變頻器實(shí)現(xiàn)拉伸部分的傳動(dòng)控制，一臺NBB-BH7R5G-4高性能變頻器配備張力控制卡進(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出擺臂的位置，用于檢測金屬絲的張力，該信號（0～10V）作為PID的反饋。6臺電機(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。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同時(shí)接到所有變頻器的AI2輸入端，作為頻率的主給定信號。各擺臂位置傳感器的信號接入到對應(yīng)的模道變頻器作為PID控制的反饋信號。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)，一級連一級，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)（NBB-BH7R5G-4高性能矢量變頻器系列的有PG矢量控制的穩(wěn)態(tài)精度可達(dá)1/1000）來調(diào)節(jié)拉伸電機(jī)的速度，因此對其參數(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NBB高性能矢量變頻器加張力控制專用模塊來實(shí)現(xiàn)的。收卷線速度是由最后一級（第五級）模道控制變頻器提供，作為卷徑計(jì)算的線速度信號。系統(tǒng)的張力可通過電位器設(shè)定，收卷級變頻器采用轉(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NBB高性能矢量變頻器內(nèi)置的PG卡，作為電機(jī)轉(zhuǎn)速的采集輸入。

其控制原理如下：

通過收卷的當(dāng)前線速度（模擬量AI2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。

張力控制專用模塊中，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)開動(dòng)時(shí)，六臺變頻器同時(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。

2.3變頻器主要參數(shù)的設(shè)置

2.3.1拉絲變頻器

P0.011：端子指令通道

P0.036：PID控制設(shè)定

P0.040：模擬量AI2設(shè)定

P0.062：A+B

P9.000：鍵盤給定

P9.020：模擬通道AI1反饋

P0.03依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定

P0.04依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定

P0.05依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定

P0.06依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定

采樣周期T（P0.07）、PID控制偏差極限（P0.08）、PID輸出緩沖時(shí)間（P0.08）均依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定。

2.3.2收卷變頻器

P0.001：有PG矢量控制

P0.011：端子指令通道

P1.081：自由停車

P3.10PG參數(shù)（編碼器線數(shù)，以實(shí)際情況為依準(zhǔn)）

P5.021：S1端子功能選擇：正轉(zhuǎn)運(yùn)行

PF.001：無張力反饋轉(zhuǎn)矩控制

PF.010：收卷模式

PF.04最大張力設(shè)置（以實(shí)際情況為依準(zhǔn)）

PF.051：模擬量AI1作為張力設(shè)定

PF.11機(jī)械傳動(dòng)比（以實(shí)際情況為依準(zhǔn)）

PF.12最大卷曲直徑

PF.14卷軸直徑

PF.180：線速度法計(jì)算卷徑

PF.22最大線速度（以實(shí)際情況為依準(zhǔn)）

PF.232：模擬量AI2作為線速度設(shè)定源

PF.33系統(tǒng)慣量補(bǔ)償系數(shù)（以實(shí)際情況為依準(zhǔn)）

其他詳細(xì)情況請參閱《CHV矢量變頻器說明書》及《CHV張力控制功能說明書》。

總結(jié)

在拉絲機(jī)的控制上，NBB變頻器構(gòu)成的電氣控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、邏輯清晰，成本與原來相比還有較大的降低，而且，在拉絲工藝，節(jié)能上來講，都是非常優(yōu)良的方案。實(shí)踐證明，上述兩種控制方案，分別控制水箱式拉絲機(jī)與直進(jìn)式拉絲機(jī)上，在同步和恒張力收線控制上完全能夠滿足工藝要求。

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