四方变频器在直进式拉丝机的应用

1 前言
在冶金行业拉丝机是金属线材生产的重要设备，主要功能是将各种线材拉成所需各种规格的细丝，从工作形式上分为直进式、活套式、水箱式等。其中直进式拉丝机应当代表着最先进的生产技术设备，同时在电气控制上也是最难控制的一种。
可以说在直进式拉丝机生产中电气控制系统决定着产品质量和生产效率。在深圳某拉丝机设备制造厂，原来一直由河北某工程公司做的电气控制系统，这套系统在高速运行时，出现张力不太稳定造成容易断线，这就直接影响了客户的设备质量，所以该设备厂需要一套更完善的电气系统，代替现有的电气系统以提高其市场竞争力。下面就该设备制造厂现以四方E380拉丝机专用变频器、LG（LS）PLC、WEINVIEW人机界面组成电气控制系统，来说明此系统在直进式拉丝机中的应用及效果。
2 生产工艺要求
该设备由活套、放卷筒和七个拉丝卷筒组成，根据要生产线材的规格，在各道卷筒前面安装相应的拉丝模，拉丝模由大到小，到最末一道为所要求规格的产品线径。线材由活套经放卷筒出来后经过第一道拉丝模到第一个卷筒，从第一个卷筒再到第二个拉丝模，这样一级一级拉下去，到最后一个为收卷筒。各卷筒之间有一个汽缸摆臂，用于位移传感器把张力反馈到变频器，变频器根据反馈信号作PID闭环控制，使其各个卷筒之间张力保持恒定。工艺要求在要更换接丝模的情况下直接把模具规格输入人机界面，变换拉丝模之后整个系统照样能正常生产运行。工艺简图如下图所示：

3 系统控制原理
直进式拉丝机在设计时每级电机与卷筒的速比不同，越后一级速比越大，同时各级拉模孔径的不同，线材直径由大到小发生变化，而每个时刻通过拉模线材的秒流量体积不变，这样线材的的变化也会使速比发生变化。在实际生产当中生产的线材规格不同，就需更换拉丝模，这样速比也会发生变化；在逻辑控制上，线材从放卷到1#卷筒再到最后一级的收卷是一步一步往下运行过程，在穿线时运行1#卷筒，放卷电机与1#电机爬行，线材穿到2#卷筒时，放卷、1#、2#联动爬行。依此类推当线材穿到收卷筒时，前面所有的电机都要求可以联动爬行。同时各个卷筒也可以单独点动。所以针对每个卷筒要有开关来控制，包括联动、手动、急停、脚踏点动开关；收卷筒是自行滑动的锥形卷筒，在收卷时直径一般不会变化。基于此原理：
人机界面上有系统运行及停止等逻辑开关，报警信息（任何一台变频器出现意外故障，整个系统停机并提示操作人员）、显示当前生产线速度（根据收卷筒转速和卷筒直径通过PLC计算得出），同时设定各道拉丝模的孔径和系统运行频率。
PLC处理所有逻辑关系和计算。以最后一台收卷电机运行频率为基准，从屏上得到各道模的孔径，再综合机械传动比计算出各卷筒电机的频率。考虑成本及四方变频器便利的的通讯功能，各级电机的运行频率信号无需D/A模块输出模拟量来控制，直接通过PLC与变频器的485通讯口发送实时频率。变频器的运行及停机信号用外部端子由PLC输出开关量来控制。
由于接丝模的变化使各级卷筒之间的速比发生变化，这样就会影响在加减速过程中线材的张力。但四方变频器特有的加减速时间与联动比例存在某种对应关系，所以在停机和启动运行过程中，无需如其它品牌变频器一样在加速和减速时，其当前运行频率要运用一定的的斜率使其加速运行或减速停机。在点动和爬行时不用变频器的点动功能而用运行信号控制，这样就避免了更换拉丝模引起的在系统爬行时的断线。
变频器在PLC给定频率及运行信号后，通过传感器反馈回的0-10V信号作内部PID自调节，E380系列变频器通过带前馈补偿的PID控制，可以实现高度稳定的张力控制。系统控制简图如下：

4 调试
各准备工作完成后就可以调试，调试时按穿线材的顺序一级一级往下调，前一级调好再调下一级，先手动再联动，先低速再高速。
各汽缸摆臂与传感器的位置会因为机械误差不同而有所不同，在调试初期校正好各传感器位置的最大值和最小值，要对应变频器反馈通道的最大和最小值，此值在监控菜单“D-9”可以看到，合理的数值对应范围应最大值是100，最小值是0。按传感器的位置来设定PID调节的目标值，PID根据目标值进行自调整。放卷筒上面有一个滑轮，在运行时可自行打滑，速度的快慢可以在屏上通过设置一个线速度系数自由调节。整个系统运行是以收卷电机为基准，所以放卷和收卷变频器不需要PID功能调节，可以在通用模式下运行。
整个系统调试的关键是在启动、减速停机和PID调节的设置上，在调试初期启动和停机又是重点。
从以上工艺图可以看出，张力反馈装置安装在卷筒的后面。在最初穿线材到每个卷筒上，先点动，调节好再与前一级联动，如果前一级出现松线的状况，那可能是前一级的PID限幅的原因，需把PID限幅适当增大（参数F7.8）。在收卷电机之前的调节，因为每个卷筒电机都是在PID模式下控制运行，如果最后一个联动电机以这种模式下运行。运行时卷筒后面会因为没有线材，使汽缸摆臂在最大位置，反馈信号影响当前电机的运行速度，最终必会受到PID限幅的限制，而每一级的联动比例不同，PID的限幅的幅度也不一样。这样可能就会产生前一级的松线。根据此种情况从前一级到后一级，PID的限幅要慢慢变小。这级联动调好后再往下穿，调下一级的点动，这样一级串一级往下调节，一直到收卷电机。
在联动控制模式下启动低速运行，然后停机，看各卷筒之间停机后的张力情况，线材太松把相关联后一级的电机直流制动起始频率适当的的减小（参数F4.4），线材太紧就查看变频器内部D-9的值，此值为位移传感器张力反馈值，如果D-9的值大于PID给定值，就有必要把相应电机的直流制动起始频率适当提高。每次修改以最少单位进行加或减，每次不能更改过大，通过多次反复调节，直到调合适为止，停机时D-9的值大于10小于PID给定值为好。根据拉丝机的工艺从前一级到后一级，制动起始频率设置由小到大进行设置。
停机调好后启动系统低速运行。根据生产工艺流程，在系统运行当中线材的振动都是后一级振动影响前一级振动，PID参数设置不合理很容易把这种一级串一级扩大化，最终就有可能PID调试跟不上产生断线。在设置PID参数时，P值在1#机到收卷机由大变小，I值相反由小到大，D值设置好以后尽量不要变化。以这种模式设置的目的就是当后一级发生振动时，必定会影响前面几级的张力稳定性，然后通过前面几级一级一级逐步减弱直到消除，最后保持整个系统张力的稳定。
用E380拉丝机专用变频器组成的电气系统，运行频率是PLC直接以广播形式发送统一频率到各变频器，各变频器的联动比例，是以收卷电机为基准，根据拉丝模的参数和机械传动比例，通过屏送到PLC，由PLC计算出来，把机台之间的联动比例发送各变频器EEPROM区，联动比例参数只有在更换拉丝模时才更改。运行时E380变频器根据联动比例，内部自行调节加减速时间，以保持在加速和减速过程中恒定的张力而不断线。各台变频器的加速时间与减速时可以完成设置一样，加速在15S-50S。减速在10S以内。正因为如此所以在加减速时间上，克服了一般拉丝机系统存在加减速时间过短，引起的断线问题。
在调试初期可以启动变频器的联动比例自矫正功能，在低速运行时从各台变频器键盘上直接读取运行频率，最快找到最佳的联动比例，无需通过人为计算，为调试节省时间。对变频器设置参数时要根据现场机械特点进行设置，由于机械的误差有的参数可能不尽相同。
各台变频器主要参数设置如下：

5 调试效果
用四方E380拉丝机专用变频器组成的直进式拉丝机电气系统，在调试完毕优化参数之后。通过测试在更换模具后的系统稳定性。最后设备正常生产的线速度比原来的电气控制系统提高了三分之一，整个系统在高速运行时关键的几个环节（加速、PID调节、减速）张力都保持的非常稳定，如果机械设备再改进一些，把普通电机换成变频电机。速度完全可以再往上提。电气系统的完善也极大的提高了客户产品在市场上的竞争力。