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——SINE309矢量型张力控制专用变频器
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。 （图片） 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。表1 模具配比
（图片）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，系统配置如下图1所示，人机界面+PLC+正弦变频器。（图片）
图1、直进式拉丝机系统示意图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：（图片）
图2 PLC模拟量信号线性变化关系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（图片） （一）、1#~10#SINE309参数设置（图片） 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。
（二）、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。具体方法如下：（图片）
图1 位移传感器与汽缸摆臂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。客户曾经试过采用变频收卷，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，如图所示：（图片） 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。如图所示。（图片） 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。所示。（图片） 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。
参考文献《SINE300系列矢量控制变频器使用说明书》
3/28/2008
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