C320系列在拉丝机械上的应用

——无传感器电流矢量型变频器应用之二
1、引言
对于大部分使用拉丝机的国内金属加工企业来说，国产拉丝机械产品已经能够被接受替代国外高端的产品，拉丝机械主要配套国外变频器，主要原因有两个，一是国产变频器技术在一段时间内落后于国外变频器厂家，无论从控制算法的先进性，可实现性，还是从硬件平台的简易性，稳定性都有一定的差距。二是对于大部分国外拉丝机械设备生产商来说，也倾向于配套国外变频器和 PLC 。国产变频行业经过 5 年的发展，已经证明绝大部分性能已经满足现场需要。针对拉丝机械配套市场， 四方变频器 C320 系列 配置先进快速的 PID 控制算法，针对各种不同的拉丝机械，均能够实现较为简洁方便的拉丝机控制方式。
2、拉丝机工作分析
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。而从拉丝机内部控制方式和结构来说，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，不同的拉丝机械，其工作过程基本相同：
• 放线 : 金属丝的放线速度，对于整个拉丝机环节来说，其控制没有过高精度要求，对部分双变频控制的拉丝机械，甚至可以通过拉丝环节的丝线张力通过一圆盘拉伸。对大部分拉丝机械，放线的控制是通过变频器驱动放线机实现的。
• 拉丝 : 拉丝环节是拉丝机最为重要的环节。不同金属物料，不同的产品精度和要求，拉丝环节有很大的不同，双变频控制拉丝机拉丝部分与放线部分共用一台电机，金属丝通过内部塔轮的导引，经过模具而逐步拉伸。而直进式拉丝机拉伸效率较高，对每一道拉丝工序，都需要一台电机带动，因此其控制也最为复杂。

• 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，因此也是整个拉丝机工作的控制源，一般通过一个主机 PLC 或人机操控系统直接控制的变频器驱动收线机。
3、拉丝机械工作原理分析
双变频式拉丝机的控制流程: 主控操作面板设定 PLC 输出收线信号，此信号通过 PLC 频率修正后给定至收线控制 1# 变频器，金属制成品于收线端通过一安装有张力传感器的导轮，输出金属丝张力信号，作为拉丝收线张力信号反馈输入到 1# 变频器， 1# 变频器通过内置 PID 闭环控制，决定输出频率，此输出频率通过主控系统或者 PLC 综合，输出对 2# 拉丝环节控制电机的控制，由于对产品精度和拉拔要求不高，金属丝在通过不同模具时的速度差异通过机械机构实现，而不必要对每道拉拔都实现闭环控制。
使用变频器的典型直进式系统控制如图 2 ，操作面板和 PLC 负责设定和监控各个环节的参数，通过变频器的各个设定端子，直接进行各个拉丝卷筒控制变频器状态共享。收线卷筒电机的运行频率通过主操控 PLC 输出给定。收线电机的运行频率，直接决定了上一级 (5#) 电机的运行速度，为了保证张力基本恒定以保证金属产品的品质，拉丝环节 (1-5#) 电机的主控速度通过 PLC 综合下一级电机的频率给定，单独主频率给定信号满足不了产品生产要求，容易造成断线故障，因为在直进式各个拉丝道中，拉丝的效率较高，各个卷筒间丝线张力很不一致，致使各个拉丝卷筒间丝线半径精度不高，为达到生产要求，一般以本级电机张力传感信号为频率设定辅助信号反馈，通过调节辊输出的是角度信号，角度信号经过凸轮变成直线式位移信号，位移传感器检测直线位移信号输出 0 ～ 10 V 的电压信号，此信号做为内部 PID 的反馈信号。
主控制信号控制变频器时，必须考虑机械惯性，按一定的斜率输出，即通过一频率斜坡发生器产生变频器主控制信号。发生器的斜率可针对不同机械的特性而设定。辅助信号由内置 PID 环节输出，它决定了当前拉丝机的动态特性，在整个信号给定中，当辅助信号所占比例较大时，转速将出现大的振荡而较难稳定，当辅助信号占比例较小时，其控制跟随速度较慢。因此须在主控 PLC 或变频器内部对辅助频率进行限幅，通过简单的比例关系，设定主给定信号和拉丝机本身闭环给定信号的比例关系即可实现，对大部分拉丝机，使其 PID 频率限幅在 10% 左右。
拉丝机各个卷筒控制电机频率主信号给定需要进行修正和补偿，这是由于拉丝机工作特性决定的。 根据金属丝体积秒流量相等的原则，设上一级模具出线半径为 A ，线速度为 V A ，经过当前级模具拉伸后半径为 B ，速度为 V B ，则变速比满足下式：
V A / V B = B 2 /A 2 ( 公式 1)
4、四方 C320系列变频器优势介绍
• 使用转速和电流闭环的无传感器矢量控制方式，快速的速度和转矩闭环，减免了测速机构，实现较高的控制精度和控制性能。
• 高性能的低频转矩特性， 150% 的起动转矩， 100% 的零频预励磁输出。
• 先进的内置 PID 闭环控制算法，确保 PID 控制器性能达到最优，最大限度方便客户的 PID 控制器参数设置。
• 高速的控制 CPU 内核，保证了控制性能的快速性，高达 100% 的直流制动力矩，对尤其是拉丝机等具有冲击性的负载，保证了其快速的响应特性，确保拉丝机停机不断线。
• 完善的故障保护功能，最大限度地对拉丝机械和变频器本身进行保护。
5、结束语
四方 C 系列变频器 的高性能和完善的功能，使其在各个行业得到了广泛的应用，对于部分 V/F 变频器满足不了的要求高场合，其优势更为明显。四方变频器在拉丝机械上使用中，免除了客户端繁杂的外部设备，内置 PID 的调节方便简练，即使故障停机状态，也很少出现断线，节电效果明显。