變頻控制在直進式拉絲機中的應用

摘 要 在直進式拉絲機控制中采用變頻調速具有配置簡練、邏輯清晰、成本下降的特點，同時本文還詳細介紹了匯川MD320變頻器在拉絲機上的應用。
關鍵詞 直進式拉絲機 同步 變頻控制

1 前言
金屬制品是冶金工業中的重要一環，但在我國該行業卻是一個薄弱環節，機械、電氣設備陳舊，阻礙了行業的發展。在金屬加工中，直進式拉絲機是常見的一種，在以前通常都采用直流發電機－電動機組（F-D系統）來實現，現在隨著工藝技術的進步和變頻器的大量普及，變頻控制開始在直進式拉絲機中大量使用，并可通過PLC來實現拉拔品種設定、操作自動化、生產過程控制、實時閉環控制、自動計米等功能。
采用變頻調速系統的直進式拉絲機技術先進、節能顯著，調速范圍在正常工作時為30:1，同時在5%的額定轉速時能提供超過1.5倍的額定轉矩。
本文以某廠生產不銹鋼絲的直進式拉絲機變頻改造為例，來說明變頻控制的應用過程及效果。

2 直進式拉絲機變頻控制系統
該直進式拉絲機主要對精軋出來的不銹鋼絲進行牽伸，設計的工藝要求為：（1）最高拉絲速度600m/min；（2）加工品種主要三種，分別是進線2.8mm→出線1.2mm、2.5mm→1.0mm、2.0mm→0.8mm；（3）緊急停車斷頭不多于2個。
直進式拉絲機是拉絲機中最難控制的一種，由于它是多臺電機同時對金屬絲進行拉伸，作業的效率很高。不象以前經常遇到的水箱拉絲機和活套式拉絲機，允許金屬絲在各道模具之間打滑。同時它對電機的同步性以及動態響應的快速性都有較高的要求。由于不銹鋼材料特性比較脆，缺少像高碳鋼絲或者鋼簾線那樣的韌性，比較容易在作業過程中拉斷。
本系統共有8臺11KW變頻器。系統的電氣配置為活套一臺，安裝在第一級，作用是將成卷的不銹鋼絲牽引到拉絲部分，由于活套可以自由打滑，因此這臺電機不需要特別的控制。拉絲部分共有六個直徑400mm的轉鼓。每個轉鼓之間安裝有用于檢測位置的氣缸擺臂，采用位移傳感器可以檢測出擺臂的位置，當絲拉得緊的時候，絲會在擺臂的氣缸上面產生壓力使得擺臂下移。最終是收卷電機，該部分采用自行滑動的錐形支架，整個過程卷徑基本不變化，因此不需要用到卷徑計算功能。八臺電機功率采用變頻專用電機，同時帶有機械制動裝置。

圖一 直進式拉絲機控制示意
直進式拉絲機的系統邏輯控制較為復雜，有各種聯動關系，由PLC實現。同步方面的控制則全部在匯川MD320變頻器內部實現，不依賴外部控制。
其工作原理是：根據操作工在面板設定決定作業的速度，該速度的模擬信號進入PLC，PLC考慮加減速度的時間之后按照一定的斜率輸出該模擬信號。這樣做的目的主要是滿足點動、穿絲等一些作業的需要。PLC輸出的模擬電壓信號同時接到所有變頻器的AI2（AI1也可以）輸入端，作為速度的主給定信號。各擺臂位移傳感器的信號接入到對應的轉鼓驅動變頻器作為PID控制的反饋信號。根據擺臂在中間的位置，自己設定一個PID的給定值。這個系統是非常典型的帶前饋的PID控制系統，一級串一級，PID作為微調量。
之所以選擇匯川MD320變頻器，就在于它能輕松實現主速度跟隨加PID微調的功能，而無須額外的控制板。在本系統中參數設置如下：
F0-03=2：主頻率源X為AI2
F0-04=8：輔助頻率源Y為PID
F0-07=1：頻率源選擇為主頻率源X+輔助頻率源Y
FA-00=0：PID給定源為數字鍵盤給定
FA-01=4：PID的設定值（該值的基準值為系統的反饋量）
FA-02=0：PID的反饋值AI1
FA-03=0：PID的作用方向（當反饋信號大于PID的給定時，要求變頻器頻率輸出下降，才能達到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?的采樣周期
FA-09=0：PID的偏差極限
由于系統的穩定在很大程度上取決于PID作用，因此對其參數的整定必須考慮周全，在低速、高速、升速和降速等情況都予以考慮。另外在本系統中必須加入微分限幅。
圖二所示為PID控制原理：

圖二 過程PID控制原理

3 結束語
本系統在優化參數值之后，設備試機時速度600米/min非常穩定，完全解決了原來采用同步板高速度下面不穩的問題（原來只能開到300米/min）。通過各種工況下的對比測試，和采用進口直流驅動器的拉絲機性能一樣，同時設備效率為90-95%、節電率為40%左右。而且本系統電氣器件配置簡練、邏輯清晰，成本與原來相比還有較大的降低，的確是個性價比優良的方案。

參考文獻
1、《MD系列模塊化變頻器MD320用戶手冊》2004年深圳 深圳市匯川技術有限公司
2、《電氣變頻調速設計技術》杜金城 2001年北京 中國電力出版社