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：

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

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1 直进式拉丝机系统示意

                                                                                                                                               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。

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：                                                                                                                                               

 

 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。

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。

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》