变频收卷在拖拉式酸洗线中的应用

　一、前言

　　自70年代初开始，由于交流电力传动技术及其控制理论的发展和提高，功率半导体器件（CTO，GRO等）技术的发展日趋完善，以及微电子技术和微处理器在电力拖动技术中的日益广泛应用，使具有结构简单，维护保养方便，价格低廉的交流鼠笼式感应电机得以在很多地方发挥它的效用。众所周知，直流电机以其转矩特性硬、调速范围广、过载能力强而着称，但因电机结构所限，电机日常维护保养工作量大。刷架、整流子间电火花也使电机使用场合受限制，且一次性投资大。而由现代变频器和交流电机组成的交流传动系统，除具有上述直流控制特性，还在于投资较直流电机小，并可以做到零维护，使用寿命长。

二、变频收卷的系统概述

1、张力控制的变频收卷
　　卷取设备是整条酸洗线的主要设备之一，要求控制系统过载能力强、控制精度高、动态响应快，能随时响应主速度变化率，从而达到卷取过程中张力控制的稳定性，在整个收卷的过程中都要保持恒定的张力。
　　张力设定在人机上设定，人性化的操作；使用先进的控制算法:卷径的递归运算；空心卷径启动时张力的线性递加；张力锥度计算公式的应用，转矩补偿的动态调整；卷径的实时计算，精确度非常高，保证收卷电机输出转矩的平滑性能好。并且在计算卷径时加入了卷径的递归运算，在操作失误的时候，能自己纠正卷径到正确的数值。因为收卷装置的转动惯量是很大的，卷径由小变大时。如果操作人员进行加速、减速、停车、再启动时很容易造成堆钢的现象。而进行了变频收卷的后，在上述各种情况下，收卷都很稳定，张力始终恒定。而且经过PLC的处理，在特定的动态过程，加入一些动态的调整措施，使得收卷的性能更好。　
　　
二. 变频收卷系统构成
1． 系统框图
　　用变频器做恒张力控制的实质是死循环矢量控制，即加编码器反馈。对收卷来说，收卷的卷经是由小到大变化的，为了保证恒张力，所以要求电机的输出转距要由小到大变化。同时在不同的操作过程，要进行相应的转距补偿。即小卷启动的瞬间，加速，减速，停车，大卷启动时，要在不同卷经时进行不同的转距补偿，这样就能使得收卷的整个过程很稳定，避免小卷时张力过大；大卷启动时松纱的现象



2． 变频收卷的控制原理
　　
　　* 卷径的计算原理
　　根据V1=V2来计算收卷的卷径。因为V1=ω1*R1, V2=ω2*Rx.因为在相同的时间内由测长辊走过的纱的长度与收卷收到的纱的长度是相等的。即L1/Δt=L2/Δt Δn1*C1=i*Δn2*C2(Δn1---单位时间内牵引电机运行的圈数、Δn2---单位时间内收卷电机运行的圈数、C1---测长辊的周长、C2---收卷盘头的周长、i---减速比) Δn1*π*D1=Δn2*π*D2/i D2=Δn1*D1*i/Δn2,因为Δn2=ΔP2/P2(ΔP2---收卷编码器产生的脉冲数、P2---收卷编码器的线数). Δn1=ΔP1/P1取Δn1=1,即测长辊转一圈,由霍尔开关产生一个信号接到PLC.那么D2=D1*i*P2/ΔP2,这样收卷盘头的卷径就得到了.
　　
　　* 收卷的动态过程分析
　　要能保证收卷过程的平稳性,不论是大卷、小卷、加速、减速、停车、启动都能保证张力的恒定.需要进行转矩的补偿.整个系统要启动起来,首先要克服静摩擦力所产生的转矩,简称静摩擦转矩,静摩擦转矩只在启动的瞬间起作用;正常运行时要克服滑动摩擦力产生的滑动摩擦转矩,滑动摩擦转矩在运行当中一直都存在,并且在低速、高速时的大小是不一样的。需要进行不同大小的补偿,系统在加速、减速、停车时为克服系统的惯量,也要进行相应的转矩补偿,补偿的量与运行的速度也有相应的比例关系.在不同车速的时候,补偿的系数是不同的。即加速转矩、减速转矩、停车转矩、启动转矩；克服了这些因素,还要克服负载转矩,通过计算出的时实卷径除以2再乘以设定的张力大小,经过减速比折算到电机轴.这样就分析出了收卷整个过程的转矩补偿的过程。总结:电机的输出转矩=静摩擦转矩(启动瞬间)+滑动摩擦转矩+负载转矩.在加速时还要加上加速转矩;在减速时要减去减速转矩.停车时,因为是通过程序控制减速至设定的最低速,所以停车转矩的补偿同减速转矩的处理.
　　
　　* 转矩的补偿标准
　　(1) 静摩擦转矩的补偿:因为静摩擦转矩只在启动的瞬间存在,在系统启动后就消失了.因此静摩擦转矩的补偿是以计算后电机输出转矩乘以一定的百分比进行补偿.
　　(2) 滑动摩擦转矩的补偿:滑动摩擦转矩的补偿在系统运行的整个过程中都是起作用的.补偿的大小以收卷电机的额定转矩为标准.补偿量的大小与运行的速度有关系。所以在程序中处理时，要分段进行补偿。
　　(3) 加减速、停车转矩的补偿：补偿硬一收卷电机的额定转矩为标准，相应的补偿系数应该比较稳定，变化不大。
　　
　　* 计算当中的公式计算
　　(1) 已知空芯卷径Dmin=200mm,Dmax=1200mm;线速度的最大值Vmax=90m/min,张力设定最大值Fmax=50kg(约等于500牛顿);减速比i=9;速度的限制如下:
　　因为:V=π*D*n/i(对于收卷电机)=>收卷电机在空芯卷径时的转速是最快的.所以:90=3.14*0.2*n/9=>n=1290r/min;
　　(2) 因为我们知道变频器工作在低频时,交流异步电机的特性不好,启动转矩低而且非线性.因此在收卷的整个过程中要尽量避免收卷电机工作在2HZ以下.因此:收卷电机有个最低速度的限制.计算如下:
　　对于四极电机而言其同步转速为:n1=60f1/p=>n1=1500r/min. =>2HZ/5HZ=N/1500=>n=60r/min
　　当达到最大卷径时,可以求出收卷整个过程中运行的最低速.V=π*D*n/i=>Vmin=3.14*1.2*60/9=25.12m/min.张力控制时,要对速度进行限制,否则会出现飞车.因此要限速.
　　(3) 张力及转矩的计算如下:如果F*D/2=T/i,=>F=2*T*i/D对于22KW的交流电机,其额定转矩的计算如下:T=9550*P/n=>T=140N.m.所以Fmax=2*140*9/0.6=4200N.
　　
　　* 硬件配置
　　 西门子PLC+艾默生TD3300变频器+HITECH人机

四． 变频收卷的控制原理及调试过程
　　
　　* 卷径的计算原理：根据V1=V2来计算收卷的卷径。因为V1=ω1*R1,V2=ω2*Rx.因为在相同的时间内由测长辊走过的纱的长度与收卷收到的纱的长度是相等的。即L1/Δt=L2/Δt ,Δn1*C1=Δn2*C2/i(Δn1---单位时间内牵引电机运行的圈数、Δn2---单位时间内收卷电机运行的圈数、C1---测长辊的周长、C2---收卷盘头的周长、i---减速比) Δn1*π*D1=Δn2*π*D2/i D2=Δn1*D1*i/Δn2,因为Δn2=ΔP2/P2(ΔP2---收卷编码器产生的脉冲数、P2---收卷编码器的线数). Δn1=ΔP1/P1取Δn1=1,即测长辊转一圈,由霍尔开关产生一个信号接到PLC.那么D2=D1*i*P2/ΔP2,这样收卷盘头的卷径就得到了.

　　* 收卷的动态过程分析　
　　要能保证收卷过程的平稳性,不论是大卷、小卷、加速、减速、激活、停车都能保证张力的恒定.需要进行转矩的补偿.整个系统要激活起来,首先要克服静摩擦力所产生的转矩,简称静摩擦转矩,静摩擦转矩只在激活的瞬间起作用;正常运行时要克服滑动摩擦力产生地滑动摩擦转矩,滑动摩擦转矩在运行当中一直都存在,并且在低速、高速时的大小是不一样的。需要进行不同大小的补偿,系统在加速、减速、停车时为克服系统的惯量,也要进行相应的转矩补偿,补偿的量与运行的速度也有相应的比例关系.在不同车速的时候,补偿的系数是不同的。即加速转矩、减速转矩、停车转矩、激活转矩；克服了这些因素,还要克服负载转矩,通过计算出的实时卷径除以2再乘以设定的张力大小,经过减速比折算到电机轴.这样就分析出了收卷整个过程的转矩补偿的过程。总结:电机的输出转矩=静摩擦转矩(激活瞬间)+滑动摩擦转矩+负载转矩.在加速时还要加上加速转矩;在减速时要减去减速转矩.停车时,因为是通过程控减速至设定的最低速,所以停车转矩的补偿同减速转矩的处理.
　　* 转矩的补偿标准
　　
　　(1). 静摩擦转矩的补偿:因为静摩擦转矩只在激活的瞬间存在,在系统激活后就消　　失了.因此静摩擦转矩的补偿是以计算后电机输出转矩乘以一定的百分比进行补偿.
　　
　　(2). 滑动摩擦转矩的补偿:滑动摩擦转矩的补偿在系统运行的整个过程中都是起作用的.补偿的大小以收卷电机的额定转矩为标准.补偿量的大小与运行的速度有关系。所以在程序中处理时，要分段进行补偿。
　　
　　(3). 加减速、停车转矩的补偿：补偿硬一收卷电机的额定转矩为标准，相应的补偿系数应该比较稳定，变化不大。
　　* 计算当中的公式计算
　　
　　(1). 已知空芯卷径Dmin=200mm,Dmax=1200mm;线速度的最大值Vmax=90m/min,张力设定最大值Fmax=50kg(约等于500牛顿);减速比i=9;速度的限制如下:
　　因为:V=π*D*n/i(对于收卷电机)=>收卷电机在空芯卷径时的转速是最快的.所以:90=3.14*0.2*n/9=>n=1290r/min;
　　
　　(2). 因为我们知道变频器工作在低频时,交流异步电机的特性不好,激活转矩低而且非线性.因此在收卷的整个过程中要尽量避免收卷电机工作在2HZ以下.因此:收卷电机有个最低速度的限制.计算如下:
　　对于四极电机而言其同步转速为:n1=60f1/p=>n1=1500r/min. =>2HZ/5HZ=N/1500=>n=60r/miｎ当达到最大卷径时,可以求出收卷整个过程中运行的最低速.V=π*D*n/i=>Vmin=3.14*1.2*60/9=25.12m/min.张力控制时,要对速度进行限制,否则会出现飞车.因此要限速.
　　
　　(3). 张力及转矩的计算如下:如果F*D/2=T/i,=>F=2*T*i/D对于22KW的交流电机,其额定转矩的计算如下:T=9550*P/n=>T=140N.m.所以Fmax=2*140*9/0.6=4200N.(其中P为额定功率,n为额定转速).
　　* 调试过程：
　　
　　 1．先对电机进行自整定，将电机的定子电感、定子电阻等参数读入变频器。
　　
　　2．将编码器的信号接至变频器，并在变频器上设定编码器的线数。然后用面板给定频率和启停控制，观察显示的运行频率是否在设定频率的左右波动。因为运用死循环矢量控制时，运行频率总是在参
考编码器反馈的速度，最大限度的接近设定频率，所以运行频率是在设定频率的附近震荡的。
　　
　　3．在程序中设定空芯卷径和最大卷径的数值。通过前面卷径计算的公式算出电机尾部所加编码器产生的最大脉冲量（P2）和最低脉冲量 ( P2 ).通过算出的最大脉冲量对收卷电机的速度进行限定，因为变频器用作张力控制时，如果不对最高速进行限定，一旦出现断纱等情况，收卷电机会飞车的。最低脉冲量是为了避免收卷变频器运行在2Hz以下，因为变频器在2Hz以下运行时，电机的转距特性很差，会出现抖动的现象。
　　
　　4．通过前面分析的整个收卷的动态过程，在不同卷径和不同运行速度的各个阶段，进行一定的转距补偿.补偿的大小，可以以电机额定转距的百分比来设定。
　　
　　张力控制可以分成直接张力控制/间接张力控制.单纯依靠转矩控制是可以完成间接恒张力控制的.直接张力控制采用传感器反馈,变频器工作与速度模式,通过调节器的作用,保证系统的张力恒定,这种方式,对变频器要求不是很高. 间接张力控制是通过控制电机的输出转矩,然后测量或者计算(616g5只能测量,3300可以自己计算)卷曲的半径,半径乘以社设定的张力,就等于扭矩,扭矩考虑传动比什么的,就是电机的转矩,顶级的变频器,转矩的控制精度大约可以到达2%左右.这与速度的控制精度相比,相差很远,但是对于张力控制,已经是挺高的指标了.
　　张力的控制,需要考虑的因素很多,系统的惯量,材料的惯量,摩擦,弯曲力矩等等,锥度,软件比较复杂,这就是通常说的"卷绕宏".td3300的软件是不另外收费的.有一点我一直不是很明白,请y4511,存在帮助释疑:丹佛斯的变频器不旋转进行辨识参数,那么张力控制时候转动惯量怎么计算?在加减速度的过程中,转动惯量对张力控制的好坏是绝对重要的啊.

3  卷取控制

　　卷取系统，负载转矩主要是张力与卷筒半径的乘积。当卷径比大于1:3时，张力下跌变得明显，此时就要考虑转矩补偿，来维持张力的恒定。因此，负载转矩是个变量，最直接的方法是增设张力传感器，检测张力，实现张力闭环控制--直接张力控制。也可间接控制，即将卷径变量检出，与外部转矩设定量进行数学运算，结果即为实际转矩的设定量，如果补偿得当，被控电机能以恒功率状态运行，从而保证轧制全程张力恒定。(系统框图见图1)