汇川变频控制在直进式拉丝机中的应用

1前言
    金属制品是冶金工业中的重要一环，但在我国该行业却是一个薄弱环节，机械、电气设备陈旧，阻碍了行业的发展。在金属加工中，直进式拉丝机是常见的一种，在以前通常都采用直流发电机－电动机组（F-D系统）来实现，现在随着工艺技术的进步和变频器的大量普及，变频控制开始在直进式拉丝机中大量使用，并可通过PLC来实现拉拔品种设定、操作自动化、生产过程控制、实时闭环控制、自动计米等功能。
    采用变频调速系统的直进式拉丝机技术先进、节能显着，调速范围在正常工作时为30:1，同时在5%的额定转速时能提供超过1.5倍的额定转矩。
    本文以某厂生产不锈钢丝的直进式拉丝机变频改造为例，来说明变频控制的应用过程及效果。

2直进式拉丝机变频控制系统
    该直进式拉丝机主要对精轧出来的不锈钢丝进行牵伸，设计的工艺要求为：（1）最高拉丝速度600m/min；（2）加工品种主要三种，分别是进线2.8mm→出线1.2mm、2.5mm→1.0mm、2.0mm→0.8mm；（3）紧急停车断头不多于2个。
    直进式拉丝机是拉丝机中最难控制的一种，由于它是多台电机同时对金属丝进行拉伸，作业的效率很高。不象以前经常遇到的水箱拉丝机和活套式拉丝机，允许金属丝在各道模具之间打滑。同时它对电机的同步性以及动态响应的快速性都有较高的要求。由于不锈钢材料特性比较脆，缺少像高碳钢丝或者钢帘线那样的韧性，比较容易在作业过程中拉断。
    本系统共有8台11KW变频器。系统的电气配置为活套一台，安装在第一级，作用是将成卷的不锈钢丝牵引到拉丝部分，由于活套可以自由打滑，因此这台电机不需要特别的控制。拉丝部分共有六个直径400mm的转鼓。每个转鼓之间安装有用于检测位置的气缸摆臂，采用位移传感器可以检测出摆臂的位置，当丝拉得紧的时候，丝会在摆臂的气缸上面产生压力使得摆臂下移。最终是收卷电机，该部分采用自行滑动的锥形支架，整个过程卷径基本不变化，因此不需要用到卷径计算功能。八台电机功率采用变频专用电机，同时带有机械制动装置。


    图一  直进式拉丝机控制示意
    直进式拉丝机的系统逻辑控制较为复杂，有各种联动关系，由PLC实现。同步方面的控制则全部在汇川MD320变频器内部实现，不依赖外部控制。
    其工作原理是：根据操作工在面板设定决定作业的速度，该速度的模拟信号进入PLC，PLC考虑加减速度的时间之后按照一定的斜率输出该模拟信号。这样做的目的主要是满足点动、穿丝等一些作业的需要。PLC输出的模拟电压信号同时接到所有变频器的AI2（AI1也可以）输入端，作为速度的主给定信号。各摆臂位移传感器的信号接入到对应的转鼓驱动变频器作为PID控制的反馈信号。根据摆臂在中间的位置，自己设定一个PID的给定值。这个系统是非常典型的带前馈的PID控制系统，一级串一级，PID作为微调量。
    之所以选择汇川MD320变频器，就在于它能轻松实现主速度跟随加PID微调的功能，而无须额外的控制板。在本系统中参数设置如下：
F0-03=2：主频率源X为AI2
F0-04=8：辅助频率源Y为PID
F0-07=1：频率源选择为主频率源X+辅助频率源Y
FA-00=0：PID给定源为数字键盘给定
FA-01=4：PID的设定值（该值的基准值为系统的反馈量）
FA-02=0：PID的反馈值AI1
FA-03=0：PID的作用方向（当反馈信号大于PID的给定时，要求变频器频率输出下降，才能达到PID平衡）
FA-05=25：PID的P值
FA-06=1：PID的I值
FA-07=0.08：PID的D值
FA-08=0.1：PID的采样周期
FA-09=0：PID的偏差极限
    由于系统的稳定在很大程度上取决于PID作用，因此对其参数的整定必须考虑周全，在低速、高速、升速和降速等情况都予以考虑。另外在本系统中必须加入微分限幅。
图二所示为PID控制原理：

图二  过程PID控制原理

3结束语
    本系统在优化参数值之后，设备试机时速度600米/min非常稳定，完全解决了原来采用同步板高速度下面不稳的问题（原来只能开到300米/min）。通过各种工况下的对比测试，和采用进口直流驱动器的拉丝机性能一样，同时设备效率为90-95%、节电率为40%左右。而且本系统电气器件配置简练、逻辑清晰，成本与原来相比还有较大的降低，的确是个性价比优良的方案。


参考文献
1、《MD系列模块化变频器MD320用户手册》2004年深圳 深圳市汇川技术有限公司
2、《电气变频调速设计技术》杜金城 2001年北京 中国电力出版社