变频器在拉丝机上的应用

•引言
　　大部分使用拉丝机的国内金属加工企业来说，对变频调速器并不陌生，这是因为变频调速器很早之前就有在拉丝机械中得到广泛应用，但大多配置的都是国外品牌的变频器，原因是国内变频调速技术的研发与市场推广起步较晚，在一段时间内落后于国外变频器产品，无论从软件控制算法的先进性，还是从硬件平台的稳定性上来讲，都有一定的差距。
　　国产变频行业经过十几年的发展，技术与市场推广都得到了长足的进步，所研制开发的产品也能够胜任绝大部分工业现场的需要。针对拉丝机械的应用特点，深圳市英威腾电气有限公司自主开发研制的INVT系列变频器，集矢量控制技术（VC、SVC）、转矩控制技术、V/F控制技术于一体，同时，设计了便于收线使用的同步控制功能和张力控制功能，真正全面解决了拉丝机的控制需要，从而打破进口品牌一统天下的局面。
　　
　　•拉丝机工艺简介
　　拉丝机，又名牵伸机。从产品终端来说，拉丝机可以分为大拉机、中拉机、小拉机、微拉机；从拉丝机内部控制方式和机械结构来说，又可以分为水箱式、滑轮式、直进式等主要的几种。对于不同要求，不同精度规则的产品，不同的金属物料，可选择不同规格的拉丝机械。对电线电缆生产企业，双变频控制的细拉机应用比较广泛，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。尽管拉丝工艺不同，但其工作过程基本相同（如下图）：
　　  


　　•放线： 金属丝的放线，对于整个拉丝机环节来说，其控制没有过高的精度要求，大部分拉丝机械，放线的操作是通过变频器驱动放线架实现的，但也有部分双变频控制的拉丝机械，甚至直接通过拉丝环节的丝线张力牵伸送进拉丝机，实现自由放线；
　　•拉丝： 拉丝环节是拉丝机最为重要的工作环节。不同金属物料，不同的丝质品种和要求，拉丝环节有很大的不同，文章的后面将详细说明水箱式拉丝机与直进式拉丝机具体操作过程；
　　•收线： 收线环节的工作速度决定了整个拉丝机械的生产效率，也是整个系统最难控制的部分。在收线部分，常用的控制技术有同步控制与张力控制实现金属制品的收卷；
　　下面，将以双变频控制水箱式拉丝机与多变频同步控制直进式拉丝机为例，介绍我公司产品在拉丝机行业的应用。
　　1、江苏某拉丝机厂细拉机双变频控制
　　1.1 系统主要参数
　　  


　　1.2 细拉机双变频控制原理
　　系统为塔轮式水箱拉丝机。塔轮式水箱拉丝机，通过塔轮的速比，逐步拉伸金属丝，并允许金属丝在塔轮内打滑，因此，加工的金属丝必须韧性较好。此种拉丝机加工铜丝的场合应用较多。主机采用CHE100开环矢量变频器（CHE100-004G/5R5P-4），收卷采用CHF100高性能V/F控制变频器（CHF100-1R5G-4）。两台电机用同一个运行信号K1，并在收卷的运行信号上并联一个开关量信号K2。因为主机的减速时间较长（30s），收卷减速时间很短（0.1s），保证在有停机命令时，收卷变频器还可正常运行。其并联的运行信号K2由主机的集电极输出Y控制一个中间继电器给定。电气原理图如图2所示：
　　  


　　1.3 速度同步控制
　　主控操作开关K1控制主机启停。牵引拉伸级变频器控制整个系统的运行线速度，控制面板上的电位器发出主机拉丝速度信号，此模拟电压信号（0~10V）通过AI1口输入拉丝机主变频器，作为其频率给定，决定伸线机总车速。同时，拉丝主变频器的运行频率，通过模拟量（AO）输出到收卷变频器（AI2），作为收卷变频器线速度同步给定。注意，对于收卷变频器所对应的运行频率应该等于收卷轮径最大时的运行频率。卷曲级变频器输出频率跟随拉丝级变频器运行频率变化，考虑到设备机械特性、一定的速度要求,主机加减速时间设定为30s，收卷变频器加减速时间设定为0.1s。
　　在拉丝机出线端与收线端之间安装有张力摆杆，用来检测输出金属丝的张力，作为拉丝收线张力信号反馈输入收卷变频器，收卷变频器将此反馈量通过内部PID运算和各种补偿后，与收卷的当前同步速度（模拟量AI2输入）进行叠加，调节变频器的输出频率，从而控制收卷电机转速相对拉丝机出丝线速度达到同步，同时，也使线材张力保持了恒定。
　　1.4 变频器主要功能参数设置
　　1.4.1 主机变频器（CHE100-004G/5R5P-4）
　　P0.01：1 端子指令通道；
　　P0.03：1 AI1给定；
　　P0.08：30 加速时间；
　　P0.09：30 减速时间；
　　P6.00：1 正转运行中；
　　P6.01：3 故障输出；
　　1.4.2 收卷级变频器（CHF100-1R5G-4）
　　P0.03：1 外部端子运行
　　P0.07：0.1 加速时间
　　P0.08：0.1 减速时间
　　P3.01：6 PID控制
　　P3.02：1 AI2设定
　　P3.04：2 A+B
　　P5.17：43 AI2上限对应设定
　　P9.01：50 PID给定值
　　P9.03：1 PID为反特性
　　P9.04：10 比例增益
　　P9.05：1.0 积分时间
　　其他详情参见《CHE系列矢量变频器说明书》、《CHF通用变频器说明书》。
　　2、杭州某拉丝机厂直进式拉丝机变频控制
　　2.1直进式拉丝机简要说明
　　在金属制品生产及加工中，直进式拉丝机是最常用的一种制造设备，在以前通常都采用电动机组及力矩电机来实现，但其控制的灵活性、自动化程度及能耗上，传统的控制方式越来越不适应行业的发展。随着控制技术和变频调速技术的大量推广，变频控制开始在直进式拉丝机中大量使用，系统并可借助PLC来实现拉丝速度、品种设定、过程闭环控制、定长控制等功能。
　　直进式拉丝机，是由多台拉伸电机同时对金属丝进行拉伸，作业的效率很高。由于不锈钢金属丝特性比较生脆，且不允许钢丝在模道内打滑，因此容易在拉伸的过程中拉断，故严格要求金属丝在各级模道中线速度同步，这样，对各级电机的同步控制性能、速度稳态精度以及电机的动态响应的快慢都有较高的要求。
　　2.2 控制系统的描述
　　杭州某拉丝机厂，为专业的直进式拉丝机生产厂家。简易电气控制示意图如下，本系统共使用五台CHV100-015G-4高性能矢量变频器实现拉伸部分的传动控制，一台CHV100-7R5G-4高性能变频器配备张力控制卡进行收卷控制。每个模道前面都装有摆臂，采用位置传感器可以检测出摆臂的位置，用于检测金属丝的张力，该信号（0~10V）作为PID的反馈。6台电机都采用变频异步电机，同时带有机械制动装置。拉丝机系统的逻辑控制较为复杂，因工艺不同也有所区别，各级联动，由PLC控制。同步方面的控制则由变频器内部控制，其工作原理是：根据操作工在面板设定决定作业的速度，该速度的模拟信号进入PLC，PLC考虑加减速度的时间之后按照一定的斜率输出该模拟信号。这样做的目的主要是满足点动、穿丝等一些作业的需要。PLC输出的模拟电压信号同时接到所有变频器的AI2输入端，作为频率的主给定信号。各摆臂位置传感器的信号接入到对应的模道变频器作为PID控制的反馈信号。根据摆臂在中间的位置，设定一个PID的给定值。这个系统是非常典型的带前馈的PID控制系统，一级连一级，PID作为微调量与主给定作为叠加。
　　本拉丝系统的稳定状况在很大程度上取决于PID作用速度、变频器控制电机的转速精度、输出转矩的响应速度等，为了提高电机运行速度的稳态精度，在很多情况下也采用有PG矢量控制技术（英威腾的CHV100系列变频器的有PG矢量控制的稳态精度可达1/1000）来调节拉伸电机的速度，因此对其参数的设定必须考虑周全，在低速、中速、高速，以及加速和减速速等情况都需要加以考虑。
　　另外，收卷部分，是由CHV100加张力控制专用模块来实现的。收卷线速度是由最后一级（第五级）模道控制变频器提供，作为卷径计算的线速度信号。系统的张力可通过电位器设定，收卷级变频器采用转矩控制，需要在收卷电动机的轴上安装编码器，编码器接入CHV100内置的PG卡，作为电机转速的采集输入。
　　其控制原理如下：
　　通过收卷的当前线速度（模拟量AI2输入），计算出当前收卷的卷曲直径。
　　计算方程式如下：D =（i×N×V）/(π×f)
　　 其中 i 机械传动比 N 电机极对数 V 线速度 f 当前匹配频率
　　 由设定的张力和卷筒的卷径（由线速度卷径计算模块获得）计算出变频器的输出转矩。
　　计算方程式为：T =（F×D）/（2×i）
　　其中：T 变频器输出转矩 F 张力设定
　　D 转筒的转径 i 机械传动比
　　从而控制电机输出相应的转矩，达到线材上张力F的恒定。
　　CHV100张力控制专用模块中，增加了转动惯量补偿，可以很好地解决张力控制系统在加、减速的过程中，因克服系统惯量而出现的张力不稳定的现象。
　　整个拉丝系统开动时，六台变频器同时起动，逐渐调节线速度给定，使系统加速，最终达到要求的生产线速度。
　　  


　　五级拉丝控制示意图
　　2．3变频器主要参数的设置
　　2．3．1拉丝变频器
　　P0.01 1：端子指令通道
　　P0.03 6：PID控制设定
　　P0.04 0：模拟量AI2设定
　　P0.06 2：A+B
　　P9.00 0：键盘给定
　　P9.02 0：模拟通道AI1反馈
　　P0.03 依据实际情况进行设定
　　P0.04 依据实际情况进行设定
　　P0.05 依据实际情况进行设定
　　P0.06 依据实际情况进行设定
　　采样周期T（P0.07）、PID控制偏差极限（P0.08）、PID输出缓冲时间（P0.08）均依据实际情况进行设定。
　　2．3．2收卷变频器
　　P0.00 1：有PG矢量控制
　　P0.01 1：端子指令通道
　　P1.08 1：自由停车
　　P3.10 PG参数（编码器线数，以实际情况为依准）
　　P5.02 1：S1端子功能选择：正转运行
　　PF.00 1：无张力反馈转矩控制
　　PF.01 0：收卷模式
　　PF.04 最大张力设置（以实际情况为依准）
　　PF.05 1：模拟量AI1作为张力设定
　　PF.11 机械传动比（以实际情况为依准）
　　PF.12 最大卷曲直径
　　PF.14 卷轴直径
　　PF.18 0：线速度法计算卷径
　　PF.22 最大线速度（以实际情况为依准）
　　PF.23 2：模拟量AI2作为线速度设定源
　　PF.33 系统惯量补偿系数（以实际情况为依准）
　　其他详细情况请参阅《CHV矢量变频器说明书》及《CHV张力控制功能说明书》。
　　
　　•总结
　　在拉丝机的控制上，英威腾变频器构成的电气控制系统，结构简单、逻辑清晰，成本与原来相比还有较大的降低，而且，在拉丝工艺，节能上来讲，都是非常优良的方案。实践证明，上述两种控制方案，分别控制水箱式拉丝机与直进式拉丝机上，在同步和恒张力收线控制上完全能够满足工艺要求。

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•引言
　　大部分使用拉丝机的国内金属加工企业来说，对变频调速器并不陌生，这是因为变频调速器很早之前就有在拉丝机械中得到广泛应用，但大多配置的都是国外品牌的变频器，原因是国内变频调速技术的研发与市场推广起步较晚，在一段时间内落后于国外变频器产品，无论从软件控制算法的先进性，还是从硬件平台的稳定性上来讲，都有一定的差距。
　　国产变频行业经过十几年的发展，技术与市场推广都得到了长足的进步，所研制开发的产品也能够胜任绝大部分工业现场的需要。针对拉丝机械的应用特点，深圳市英威腾电气有限公司自主开发研制的INVT系列变频器，集矢量控制技术（VC、SVC）、转矩控制技术、V/F控制技术于一体，同时，设计了便于收线使用的同步控制功能和张力控制功能，真正全面解决了拉丝机的控制需要，从而打破进口品牌一统天下的局面。
　　
　　•拉丝机工艺简介
　　拉丝机，又名牵伸机。从产品终端来说，拉丝机可以分为大拉机、中拉机、小拉机、微拉机；从拉丝机内部控制方式和机械结构来说，又可以分为水箱式、滑轮式、直进式等主要的几种。对于不同要求，不同精度规则的产品，不同的金属物料，可选择不同规格的拉丝机械。对电线电缆生产企业，双变频控制的细拉机应用比较广泛，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。尽管拉丝工艺不同，但其工作过程基本相同（如下图）：
　　  


　　•放线： 金属丝的放线，对于整个拉丝机环节来说，其控制没有过高的精度要求，大部分拉丝机械，放线的操作是通过变频器驱动放线架实现的，但也有部分双变频控制的拉丝机械，甚至直接通过拉丝环节的丝线张力牵伸送进拉丝机，实现自由放线；
　　•拉丝： 拉丝环节是拉丝机最为重要的工作环节。不同金属物料，不同的丝质品种和要求，拉丝环节有很大的不同，文章的后面将详细说明水箱式拉丝机与直进式拉丝机具体操作过程；
　　•收线： 收线环节的工作速度决定了整个拉丝机械的生产效率，也是整个系统最难控制的部分。在收线部分，常用的控制技术有同步控制与张力控制实现金属制品的收卷；
　　下面，将以双变频控制水箱式拉丝机与多变频同步控制直进式拉丝机为例，介绍我公司产品在拉丝机行业的应用。
　　1、江苏某拉丝机厂细拉机双变频控制
　　1.1 系统主要参数
　　  


　　1.2 细拉机双变频控制原理
　　系统为塔轮式水箱拉丝机。塔轮式水箱拉丝机，通过塔轮的速比，逐步拉伸金属丝，并允许金属丝在塔轮内打滑，因此，加工的金属丝必须韧性较好。此种拉丝机加工铜丝的场合应用较多。主机采用CHE100开环矢量变频器（CHE100-004G/5R5P-4），收卷采用CHF100高性能V/F控制变频器（CHF100-1R5G-4）。两台电机用同一个运行信号K1，并在收卷的运行信号上并联一个开关量信号K2。因为主机的减速时间较长（30s），收卷减速时间很短（0.1s），保证在有停机命令时，收卷变频器还可正常运行。其并联的运行信号K2由主机的集电极输出Y控制一个中间继电器给定。电气原理图如图2所示：
　　  


　　1.3 速度同步控制
　　主控操作开关K1控制主机启停。牵引拉伸级变频器控制整个系统的运行线速度，控制面板上的电位器发出主机拉丝速度信号，此模拟电压信号（0~10V）通过AI1口输入拉丝机主变频器，作为其频率给定，决定伸线机总车速。同时，拉丝主变频器的运行频率，通过模拟量（AO）输出到收卷变频器（AI2），作为收卷变频器线速度同步给定。注意，对于收卷变频器所对应的运行频率应该等于收卷轮径最大时的运行频率。卷曲级变频器输出频率跟随拉丝级变频器运行频率变化，考虑到设备机械特性、一定的速度要求,主机加减速时间设定为30s，收卷变频器加减速时间设定为0.1s。
　　在拉丝机出线端与收线端之间安装有张力摆杆，用来检测输出金属丝的张力，作为拉丝收线张力信号反馈输入收卷变频器，收卷变频器将此反馈量通过内部PID运算和各种补偿后，与收卷的当前同步速度（模拟量AI2输入）进行叠加，调节变频器的输出频率，从而控制收卷电机转速相对拉丝机出丝线速度达到同步，同时，也使线材张力保持了恒定。
　　1.4 变频器主要功能参数设置
　　1.4.1 主机变频器（CHE100-004G/5R5P-4）
　　P0.01：1 端子指令通道；
　　P0.03：1 AI1给定；
　　P0.08：30 加速时间；
　　P0.09：30 减速时间；
　　P6.00：1 正转运行中；
　　P6.01：3 故障输出；
　　1.4.2 收卷级变频器（CHF100-1R5G-4）
　　P0.03：1 外部端子运行
　　P0.07：0.1 加速时间
　　P0.08：0.1 减速时间
　　P3.01：6 PID控制
　　P3.02：1 AI2设定
　　P3.04：2 A+B
　　P5.17：43 AI2上限对应设定
　　P9.01：50 PID给定值
　　P9.03：1 PID为反特性
　　P9.04：10 比例增益
　　P9.05：1.0 积分时间
　　其他详情参见《CHE系列矢量变频器说明书》、《CHF通用变频器说明书》。
　　2、杭州某拉丝机厂直进式拉丝机变频控制
　　2.1直进式拉丝机简要说明
　　在金属制品生产及加工中，直进式拉丝机是最常用的一种制造设备，在以前通常都采用电动机组及力矩电机来实现，但其控制的灵活性、自动化程度及能耗上，传统的控制方式越来越不适应行业的发展。随着控制技术和变频调速技术的大量推广，变频控制开始在直进式拉丝机中大量使用，系统并可借助PLC来实现拉丝速度、品种设定、过程闭环控制、定长控制等功能。
　　直进式拉丝机，是由多台拉伸电机同时对金属丝进行拉伸，作业的效率很高。由于不锈钢金属丝特性比较生脆，且不允许钢丝在模道内打滑，因此容易在拉伸的过程中拉断，故严格要求金属丝在各级模道中线速度同步，这样，对各级电机的同步控制性能、速度稳态精度以及电机的动态响应的快慢都有较高的要求。
　　2.2 控制系统的描述
　　杭州某拉丝机厂，为专业的直进式拉丝机生产厂家。简易电气控制示意图如下，本系统共使用五台CHV100-015G-4高性能矢量变频器实现拉伸部分的传动控制，一台CHV100-7R5G-4高性能变频器配备张力控制卡进行收卷控制。每个模道前面都装有摆臂，采用位置传感器可以检测出摆臂的位置，用于检测金属丝的张力，该信号（0~10V）作为PID的反馈。6台电机都采用变频异步电机，同时带有机械制动装置。拉丝机系统的逻辑控制较为复杂，因工艺不同也有所区别，各级联动，由PLC控制。同步方面的控制则由变频器内部控制，其工作原理是：根据操作工在面板设定决定作业的速度，该速度的模拟信号进入PLC，PLC考虑加减速度的时间之后按照一定的斜率输出该模拟信号。这样做的目的主要是满足点动、穿丝等一些作业的需要。PLC输出的模拟电压信号同时接到所有变频器的AI2输入端，作为频率的主给定信号。各摆臂位置传感器的信号接入到对应的模道变频器作为PID控制的反馈信号。根据摆臂在中间的位置，设定一个PID的给定值。这个系统是非常典型的带前馈的PID控制系统，一级连一级，PID作为微调量与主给定作为叠加。
　　本拉丝系统的稳定状况在很大程度上取决于PID作用速度、变频器控制电机的转速精度、输出转矩的响应速度等，为了提高电机运行速度的稳态精度，在很多情况下也采用有PG矢量控制技术（英威腾的CHV100系列变频器的有PG矢量控制的稳态精度可达1/1000）来调节拉伸电机的速度，因此对其参数的设定必须考虑周全，在低速、中速、高速，以及加速和减速速等情况都需要加以考虑。
　　另外，收卷部分，是由CHV100加张力控制专用模块来实现的。收卷线速度是由最后一级（第五级）模道控制变频器提供，作为卷径计算的线速度信号。系统的张力可通过电位器设定，收卷级变频器采用转矩控制，需要在收卷电动机的轴上安装编码器，编码器接入CHV100内置的PG卡，作为电机转速的采集输入。
　　其控制原理如下：
　　通过收卷的当前线速度（模拟量AI2输入），计算出当前收卷的卷曲直径。
　　计算方程式如下：D =（i×N×V）/(π×f)
　　 其中 i 机械传动比 N 电机极对数 V 线速度 f 当前匹配频率
　　 由设定的张力和卷筒的卷径（由线速度卷径计算模块获得）计算出变频器的输出转矩。
　　计算方程式为：T =（F×D）/（2×i）
　　其中：T 变频器输出转矩 F 张力设定
　　D 转筒的转径 i 机械传动比
　　从而控制电机输出相应的转矩，达到线材上张力F的恒定。
　　CHV100张力控制专用模块中，增加了转动惯量补偿，可以很好地解决张力控制系统在加、减速的过程中，因克服系统惯量而出现的张力不稳定的现象。
　　整个拉丝系统开动时，六台变频器同时起动，逐渐调节线速度给定，使系统加速，最终达到要求的生产线速度。
　　  


　　五级拉丝控制示意图
　　2．3变频器主要参数的设置
　　2．3．1拉丝变频器
　　P0.01 1：端子指令通道
　　P0.03 6：PID控制设定
　　P0.04 0：模拟量AI2设定
　　P0.06 2：A+B
　　P9.00 0：键盘给定
　　P9.02 0：模拟通道AI1反馈
　　P0.03 依据实际情况进行设定
　　P0.04 依据实际情况进行设定
　　P0.05 依据实际情况进行设定
　　P0.06 依据实际情况进行设定
　　采样周期T（P0.07）、PID控制偏差极限（P0.08）、PID输出缓冲时间（P0.08）均依据实际情况进行设定。
　　2．3．2收卷变频器
　　P0.00 1：有PG矢量控制
　　P0.01 1：端子指令通道
　　P1.08 1：自由停车
　　P3.10 PG参数（编码器线数，以实际情况为依准）
　　P5.02 1：S1端子功能选择：正转运行
　　PF.00 1：无张力反馈转矩控制
　　PF.01 0：收卷模式
　　PF.04 最大张力设置（以实际情况为依准）
　　PF.05 1：模拟量AI1作为张力设定
　　PF.11 机械传动比（以实际情况为依准）
　　PF.12 最大卷曲直径
　　PF.14 卷轴直径
　　PF.18 0：线速度法计算卷径
　　PF.22 最大线速度（以实际情况为依准）
　　PF.23 2：模拟量AI2作为线速度设定源
　　PF.33 系统惯量补偿系数（以实际情况为依准）
　　其他详细情况请参阅《CHV矢量变频器说明书》及《CHV张力控制功能说明书》。
　　
　　•总结
　　在拉丝机的控制上，英威腾变频器构成的电气控制系统，结构简单、逻辑清晰，成本与原来相比还有较大的降低，而且，在拉丝工艺，节能上来讲，都是非常优良的方案。实践证明，上述两种控制方案，分别控制水箱式拉丝机与直进式拉丝机上，在同步和恒张力收线控制上完全能够满足工艺要求。






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