正弦变频器在直进式拉丝机上的应用

引 言 拉丝机是金属线材生产的重要设备，主要是将金属线材拉拔成各种规格的细丝。从产品规格上可分为：大拉机、中拉机、小拉机以及细微拉。从机械结构上可分为：滑轮式、活套式、水箱式和直进式。在电线电缆行业，双变频细微拉应用十分广泛。相对而言，其要求的控制性能也较低，而对大部分钢丝生产企业，针对材料特性，其精度要求和拉拔稳定度高，因此使用直进式拉丝机较多。特别是焊材生产企业，气体保护焊丝、埋弧焊丝、铝焊丝、氩弧焊丝、不锈钢焊丝、高强度焊丝以及最先进的药芯焊丝，其对拉丝机的电气控制要求很高。变频器作为主要的电气控制部分，它的性能，特别是张力控制的精度直接影响到产品的质量和产量。 深圳正弦电气作为一家专业的变频器制造商，所生产的拉丝机专用变频器，以其卓越的性能赢得了电线电缆企业和焊丝生产企业的认可和好评。 一、拉丝机工作原理 直进式拉丝机是有多个拉拔头组成的小型的连续生产设备，通过逐级拉拔，可以一次性地把钢丝冷拉到所需的规格，所以工作效率比较高。但是，由于通过每一级的拉拔后，钢丝的线径发生了变化，所以每个拉拔头工作线速度也应有变化。 根据拉模配置的不同，各个拉拔头的拉拔速度也要变化。拉拔速度的基准是每个时刻通过拉模的钢丝的秒流量体积不变，即使以下公式成立： πr2×v1= πr2×v2 其中 r：进线钢丝的直径 r： 出线钢丝的直径 v1：进线钢丝的线速度 v2：出线钢丝的线速度 直进式拉丝机的各个拉拔头的工作速度就是基于以上的公式，保证各个拉拔头同步运行。但是，以上的说明是基于理想状态的稳态工作过程，由于机械传动的误差以及机械传动的间隙，还有在起动、加速、减速、停止等动态的工作过程中，各个拉拔头就无法保持同步，所以，我们在直进式拉丝机上采用了位移传感器（如图1所示），动态测量各个拉拔头间的钢丝的张力，再把张力转换成标准信号(0/4～20ma或0～10v)，用这个标准信号反馈给调速变频器，变频器用这个信号作闭环pid过程控制，在主速度上叠加上pid计算的调整量，保持各个张力检测点的张力恒定，也就保证了直进式拉丝机工作在同步恒张力的工作状态。 二、系统介绍 该套设备的作用是对药芯焊丝的二次精拉。药芯焊丝是用钢带卷曲为空心的钢丝，卷曲的过程中，将特制的药粉填充空心处，经过拉拔后形成2.80mm左右的一次成品。再经过二次拉拔形成1.20mm左右的成品（依需求而定）。我们调试的时候模具的配比如表1。 根据客户要求，我们设计了11联直进式拉丝机，该系统采用深圳正弦电气新一代产品——完全电流矢量张力控制专用变频器sine309和拉丝机拉丝专用变频器sine311，系统配置如图1所示，人机界面+plc+正弦变频器。 1. 人机界面 良好的人机接口，使操作简洁方便，各种参数一目了然。 我们在界面上设计了多种功能功能——系统启动、停车、跳卷、线速度设定、收卷点动、断线保护有效、防护罩有效等，方便操作人员对设备进行操作和监控。 2. plc plc在整个系统中起着重要的作用——①得到人机的启动信号后，plc输出使变频器run与com端子闭合，变频器运行。②根据触摸屏上设定的线速度，plc的d/a模块输出0~10v的主速度信号，并按照30秒的加减速线性变化，如下图2所示。③低速穿线时，需要前联动、正转点动、反转点动和后联动。 前联动：我们以放线工字轮为最前，假如我们在4#塔轮处脚踏前联动开关，应该是1#~4#机联动，即plc使1#~4#变频器同时走点动频率，以此类推。 正转点动：当某台塔轮上线材松动时，需要单独点动该台，其他塔轮不动作。 反转点动：极少用到可以不设计。 后联动：仍以放线工字轮为参照——最前，假如我们在4#塔轮处脚踏后联动开关，应该是4#~11#机联动。 3. 变频器 如图1所示，机台上有11个塔轮，其中1#~10#采用正弦sine309拉丝机张力控制专用变频器，分别对应位移传感器。位移传感器反馈给变频器4~20ma的电流信号，变频器以此保证线材的恒张力。11#采用正弦sine311拉丝机拉丝专用变频器，没有张力机构。12#同样采用正弦sine309变频器控制收线轮，与1#~10#不同的是，收线工字轮的卷径在不断的变化，而且还要保持线材恒张力，以免张力过大断线或太松乱线。 在前面提到，我们拉拔的是药芯焊丝，其材质较实心钢丝柔软很多。06年我们给客户安装的6套八联和3套七联直进式拉丝机，加工的都是高碳钢丝或不锈钢丝，材质坚硬，即使在调试过程中汽缸摆臂有较大晃动，也可能不会断线。药芯焊丝的硬度大约只有高碳钢或不锈钢丝的一半，在生产过程中就要求张力控制得很好，即汽缸摆臂几乎不晃动，才能保证生产的高效。也就是要求变频器有很好的张力控制能力。 三、正弦变频器特点 ● 正弦变频器采用磁场定向电流闭环矢量控制，电机变量完全解耦。 ● 采用美国ti公司最新款高性能32bit电机控制专用dsp，高速、准确完成复杂的控制算法，国内首家产品化应用。 ● 调速精度：0.01hz ● 调速范围：0.01~600.00hz ● 冲击负载：180%电机额定转速，2秒内不跳脱。 ● 低频转矩：0.00 hz，150%额定转矩输出。180%额定转矩加速和减速。 sine309系列拉丝机张力控制专用变频器 (1) 型拉丝机收卷专用变频器, 不用设定变频器参数，出厂值即最佳参数，只需要按说明书正确接线，就可以开机正常工作； (2) 所有动态参数：卷径、传动比、线径，空盘、半盘、满盘，低速、中速、高速，张力、断线全部由变频器内部自动处理； (3) 不需要pid板，只需要外接操作开关、少量中间继电器、指示灯和显示仪表； (4) 系统更简洁、成本更低、维护更方便，同时，控制效果更佳，设备运行更稳定； (5) 张力平衡杆或位移传感器在下限位、中间位或上限位，都可开机运行。自动跟踪拉丝线速度，张力平衡杆或位移传感器基本维持在中点位置； (6) 变频器与电机同功率配匹使用，不需要放大变频器的容量； (7) 适用于双变频、多变频拉丝或收卷的张力控制应用场合，更换拉丝模具或机台数时不需要调整任何参数。 sine011系列拉丝机拉丝专用变频器 (1) 傻瓜型拉丝机拉丝专用变频器, 不用设定变频器参数，出厂值即最佳参数，只需要按说明书正确接线，就可以开机正常工作。低速穿模、高速拉丝相互独立； （2）无转速死区，低速1hz额定转矩平稳输出，穿模、试机没有材料损耗； （3）根据拉丝线材实际负载变化，自动调节输出频率，维持线速度恒定； （4）不分材质，可拉钢丝、铁丝、铜丝、铝丝及其它材料； （5）变频器与电机同功率匹配使用，不需要放大变频器的容量。 四、安装调试 表2 1#～10#sine309参数设置 功能代码 代码名称 出厂值 设置
f0.02 驱动方式 2：无pg矢量控制0 2：无pg矢量控制0
f0.04 启停控制选择 0：键盘 1：端子
f0.08 速度给定方式 000 002：过程pid输入方式
f0.14 点动运行频率 5.00hz 2.50hz
f0.16 加速时间1 15.00s 2.00s
f0.17 减速时间1 15.00s 2.00s
f0.18 点动加速时间 15.00s 8.00s
f0.19 点动减速时间 15.00s 8.00s
f0.25 最大频率 50.00hz 55.00hz
f0.26 上限频率 50.00hz 55.00hz
f2.04 vs滤波时间 0.30s 0.00s
f2.06 vf滤波时间 0.30s 0.00s
f5.04 功能输入x3 3：多段速度端子1 8：自由停车
f5.05 功能输入x4 4：多段速度端子2 10：正转点动fjog
f7.08 pid调节模式 00000 00011：pid调节器输出+前馈输出
f7.12 前馈输入增益 40.00 100.00
f7.13 pid输出增益 100.00 30.00
f7.14 比例增益gp 0.40 0.20
f7.15 积分时间gti 10.000 10.000
f7.16 微分时间gtd 0.000 0.000
f7.19 pid输出死区时间 5.00 0.00
f7.20 pid软启动时间 5.00 0.20
f8.07 电流比例增益 0.40 0.00
f8.08 电流积分时间 10.00 0.00
fa.17 滑差补偿增益 100.00 0.00
fb.00 拉丝机控制方式 0 10：0～前馈增益上限
fb.02 软启动前馈间隔 1000 800
fb.03 中点前馈间隔 800 600
fb.04 中速前馈间隔 200 150
fb.05 快速前馈间隔 100 80
fb.08 中点前馈范围2 20.00 25.00
fb.09 中速前馈范围1 25.00 30.00
fb.10 中速前馈范围2 30.00 35.00
fb.11 快速前馈范围1 35.00 40.00 说明： （1）f0.02=2 无pg矢量控制0——无pg开环矢量控制 电动机的转速信息只是实时估算，而不进行反馈控制，电流全程实时闭环控制，，0.50hz输出达150%的额定力矩，自动跟踪负载的变化并自动限定输出电流，使其不超过允许的最大电流值。即使负载突变、快速加减速，变频器也不发生故障，实现通用变频器配置的高性能、高可靠性。 （2）f0.08=002 过程pid输入方式——pid调节器有效 （3）f7.08=10 pid调节器输出+前馈输出 即gfk*vs+k2*upid 。其中k1为f7.12前馈输入增益gfk，k2为f7.13 pid输出增益，vs为主速度信号，由plc的d/a模块提供，upid 为pid的调节信号。此方式特别适合张力闭环pid控制，取消外部pid控制器。k1随收线卷卷径自动调节，直至收放设备的最佳实时传动比。 （4）fb.00=10 0～前馈增益上限 如上所说，gfk随收线卷卷径自动调节，直至收放设备的最佳实时传动比。达到最佳状态时gfk的值确定后，可以将此参数十位改为0前馈增益不变化。 调试 (1) 变送器模式：位移传感器感应面接近金属时，反馈的模拟量信号就越弱，反之便越强。调试时，要根据凸轮曲面与传感器感应面的变化规律，选择变送器模式。 例如本案例中，当汽缸摆臂在下限位时，凸轮曲面与传感器感应面离得最近，即反馈到变频器的信号最弱约0.05v，此时说明1#机转快了，应该放慢速度，这样pid就是反作用。反之则为正作用。 (2) 由于机台比较大，所有11台11kw电机等都与机台直接接触，高速生产过程中，难免有震动。再加上生产过程中由于线材原因难免断线，汽缸摆臂的碰撞可能会使凸轮松动或传感器位置偏移，除了安装时将其紧固外，过一段时间要检查一下传感器反馈给变频器的信号是否在0~10v内，最好不要存在死区或死区范围不能太大。否则直接影响变频器对线材张力做出正确判断。具体方法如图4。 将凸轮和传感器紧固后，用手均匀推动汽缸摆臂，使其在上下限位置平滑移动，观察sine309变频器监视功能代码c25——pid运算反馈，看其是否在0.000~10.000内成线性变化，不能有跳跃或死区。 (3) 张力机的调试 所谓张力机就是成品收卷部分，由于客户以前的老设备都采用的是力矩电机、直流电机或磁粉离合器收卷，习惯上把这部分叫做张力机。客户曾?试过采用变频收卷，但效果都不很满意。当得知我们采用变频收线时，客户还有些担心，但调试结果使客户很满意。 12#收卷变频器同样采用正弦sine309变频器，唯一不同的是，1#~10#变频器塔轮上的卷径没有变化，而12#则所生产的进行，工字轮卷径不断增大。sine309变频器通过实时卷径自动计算，调节转速，保持线速度一定。pid自动调节使张力轮始终处在中间位置，保持恒张力。张力机构采用张力轮的形式，如图5所示。 (4) pid闭环控制的参数调整 设定变频器的过程pid闭环控制方式有效，通过反馈信号观测系统的输出，根据输出波形调整pid控制器的参数，一般采用如下的规律调节： ● 在输出不振荡时，增大比例增益gp
● 在输出不振荡时，减小积分时间常数gti
● 在输出不振荡时，增大微分时间常数gtd 实际调节时，可按如下步骤调整pid参数： 抑制输出超调：缩短微分时间常数td，延长积分时间常数ti。如图6所示。 抑制输出周期振荡：减小微分时间常数td或使其为0，减小比例增益p。如图7所示。 五、总结 德州聚力焊材从06年至今已经先后使用正弦变频器配套3套6联滑轮式、9套8联直进式拉丝机和1套11联直进式拉丝机，使用一年多，生产效率大幅提高，且故障率低，维护方便，客户非常满意。


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