1 引言

在電工機(jī)械制造行業(yè)，金屬線(xiàn)纜收放卷設(shè)備作為基礎(chǔ)工藝裝備使用得非常廣泛。金屬線(xiàn)纜收放卷是確保產(chǎn)品質(zhì)量和成品外觀的重要工藝過(guò)程，線(xiàn)纜的收放卷設(shè)備要求能工藝過(guò)程保持線(xiàn)纜張力的穩(wěn)定。傳統(tǒng)的力矩電機(jī)+驅(qū)動(dòng)控制器或磁粉離合器等恒張力控制方案存在維護(hù)成本和控制精度等方面的問(wèn)題。隨著變頻器功能的完善以及對(duì)異步電動(dòng)機(jī)控制逐步成熟，變頻器在恒張力控制上的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，日益成為恒張力控制工藝的基本自動(dòng)化控制技術(shù)。本文以臺(tái)達(dá)變頻器在某線(xiàn)纜設(shè)備廠(chǎng)的焊絲層繞機(jī)上的應(yīng)用為例，詳細(xì)介紹臺(tái)達(dá)變頻器在恒張力控制技術(shù)。

2 變頻器恒張力控制系統(tǒng)

2.1 工藝自動(dòng)化原理設(shè)計(jì)

圖片1機(jī)器為浙江某線(xiàn)纜設(shè)備廠(chǎng)生產(chǎn)的焊絲層繞機(jī)，主要的作用是將大棍的金屬線(xiàn)棍整齊的分裝排列成為小棍的金屬線(xiàn)棍，排線(xiàn)恒張力控制是工藝穩(wěn)定的基本自動(dòng)化環(huán)節(jié)。

圖1 線(xiàn)棍排線(xiàn)分裝機(jī)組

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，由三大部分組成：放卷機(jī)構(gòu)，張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以及收卷機(jī)構(gòu)。目前整臺(tái)設(shè)備由臺(tái)達(dá)EH系列PLC來(lái)控制，工藝參數(shù)由臺(tái)達(dá)觸摸屏設(shè)置。

圖2 排線(xiàn)工藝自動(dòng)化原理

（1）收卷驅(qū)動(dòng)。收卷機(jī)構(gòu)中使用5.5kw電機(jī)+VFD055B43通用型矢量控制高性能變頻器來(lái)完成收卷動(dòng)作，變頻器的運(yùn)行頻率命令由plc來(lái)給定，排線(xiàn)采用臺(tái)達(dá)伺服完成。

（2）張力調(diào)節(jié)。張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中采用氣壓來(lái)控制張力大小，絲線(xiàn)纏繞在兩個(gè)滾輪上4圈；滾輪同時(shí)帶動(dòng)一個(gè)測(cè)速發(fā)電機(jī)，當(dāng)最高線(xiàn)速度為25m/s時(shí)，測(cè)速發(fā)電機(jī)電壓輸出110vdc，再通過(guò)一個(gè)分壓電阻轉(zhuǎn)換為10vdc提供給plc作為線(xiàn)速度來(lái)源信號(hào)；兩個(gè)滾輪間最大行程為750mm，行程發(fā)生變化時(shí)能夠提供0-10vdc的電壓信號(hào)作為實(shí)際張力大小的反饋量。

（3）放卷驅(qū)動(dòng)。原放卷機(jī)構(gòu)采用直流電機(jī)+歐陸590調(diào)速器來(lái)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)和張力大小由plc來(lái)給定；放卷棍最大卷徑為760mm，最小卷徑350mm，機(jī)械減速比1：1.8（電機(jī)側(cè)滾輪直徑為200mm，負(fù)載側(cè)滾輪直徑為360mm）。本設(shè)計(jì)使用臺(tái)達(dá)卷取工藝客制化專(zhuān)用變頻器VFD220B43W來(lái)替換歐陸590直流調(diào)速器做放卷控制，這樣除了能夠省去直流電機(jī)的高維護(hù)成本，還能夠提高最高線(xiàn)速度（直流調(diào)速時(shí)為被動(dòng)放卷，最高線(xiàn)速度18m/s；改為變頻器做主動(dòng)放卷，最高線(xiàn)速度25m/s），從而提高工作的效率。

當(dāng)線(xiàn)速度達(dá)到最高25m/s時(shí)，收卷變頻器最高頻率需要工作到99Hz；目前收卷變頻器的加速時(shí)間為30s，減速時(shí)間為20s。放卷電機(jī)為22kw，采用220B43W變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有使用編碼器，通過(guò)計(jì)算，放卷變頻器的最高工作頻率設(shè)置在100hz就能夠滿(mǎn)足要求。

由于臺(tái)達(dá)BW系列變頻器具有收放卷專(zhuān)用控制功能，不需要依靠PLC就能夠完成恒張力控制，具有自動(dòng)卷徑計(jì)算以及PID自動(dòng)調(diào)整功能，所以在此系統(tǒng)中能夠獨(dú)立完成對(duì)放卷動(dòng)作的控制，取代直流調(diào)速。

2.2 基于臺(tái)達(dá)變頻器的張力控制

基于臺(tái)達(dá)變頻器的張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。具有收放卷專(zhuān)用控制功能變頻器VFD220B43W的AVI端子接受張力棍的張力輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)變頻器內(nèi)部的預(yù)設(shè)張力平衡參數(shù)比對(duì)計(jì)算，對(duì)張力誤差做出放卷速度的獨(dú)立張力實(shí)時(shí)控制。

圖3 收放卷專(zhuān)用控制型變頻器張力控制系統(tǒng)

3張力變頻器參數(shù)調(diào)試

3.1 預(yù)設(shè)基礎(chǔ)參數(shù)

將電機(jī)銘牌上的參數(shù)寫(xiě)入到變頻器內(nèi)部（額定頻率，額定電壓，額定電流）；將最高操作頻率設(shè)置為100hz；將控制模式改為恒張力控制模式；（10-21）；將外部機(jī)械齒輪比設(shè)置到參數(shù)中；（10-23電機(jī)側(cè)軸端轉(zhuǎn)盤(pán)直徑/10-24負(fù)載側(cè)軸端轉(zhuǎn)盤(pán)直徑）；設(shè)置線(xiàn)速度來(lái)源以及張力反饋來(lái)源；（10-37/10-27）；設(shè)置張力平衡點(diǎn)位置；（10-26）；根據(jù)外部反饋的實(shí)際張力信號(hào)，來(lái)選擇是正反饋還是負(fù)反饋；（10-35）；根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置最大卷徑，最小卷徑，以及當(dāng)前卷徑；（10-43/10-44/10-54）

3.2 調(diào)整線(xiàn)速度

先設(shè)定好最高線(xiàn)速度。由于此系統(tǒng)中線(xiàn)速度是通過(guò)測(cè)速發(fā)電機(jī)提供，而其信號(hào)最高為110VDC，所以在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中需要接入一個(gè)分壓電阻將信號(hào)轉(zhuǎn)為10VDC，客戶(hù)端選用的分壓電阻為可旋電阻，所以每次新設(shè)備調(diào)試都需要重新調(diào)整電阻位置。線(xiàn)速度調(diào)整是否正確可以通過(guò)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中計(jì)算出來(lái)的當(dāng)前卷徑是否和實(shí)際相符來(lái)判斷，如果兩者相差很大，表示電阻位置不正確，需要重新調(diào)整。（10-38）

3.3 PID閉環(huán)參數(shù)

在正確線(xiàn)速度的前提下，分別在滿(mǎn)卷徑和空卷徑時(shí)選擇合適的P/I/D值，如果滿(mǎn)卷徑和空卷徑選擇的數(shù)據(jù)相差不大，可以共用一組PID參數(shù)；如果兩者相差很大，可以將兩組PID參數(shù)都設(shè)置進(jìn)去，然后選擇PID調(diào)整方式為根據(jù)卷徑自動(dòng)調(diào)整法。（一組PID時(shí)設(shè)置參數(shù)為10-29/10-30；如果設(shè)置兩組PID參數(shù)，則大卷徑參數(shù)為10-32/10-33，小卷徑參數(shù)為10-29/10-30，此功能通過(guò)10-28=0/2來(lái)選擇）。

3.4 參數(shù)調(diào)試表

具體參數(shù)設(shè)置總結(jié)參見(jiàn)表1。

表1 具體參數(shù)設(shè)置

3.5 收放卷切換與卷徑復(fù)位

（1）收放卷切換。此系統(tǒng)中，一般情況下VFD220B43W都是處于放卷模式，但是當(dāng)卷繞的絲線(xiàn)質(zhì)量不好時(shí)，就需要將卷繞的絲線(xiàn)退回去重新卷繞，這時(shí)就需要將VFD220B43W的工作狀態(tài)由放卷模式切換成為收卷模式工作，VFD055B43工作狀態(tài)由收卷狀態(tài)切換成為放卷狀態(tài)。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作模式不發(fā)生變化—固定在收卷模式，只需要將正/負(fù)反饋以及正/反轉(zhuǎn)的狀態(tài)進(jìn)行切換，就能夠滿(mǎn)足兩種狀態(tài)的工作。正反轉(zhuǎn)狀態(tài)的切換可以通過(guò)外部端子接線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而正/負(fù)反饋的切換就需要通過(guò)PLC與變頻器通訊修改參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)了。當(dāng)處于收絲狀態(tài)時(shí)，通過(guò)觸摸屏給出觸發(fā)信號(hào)，將變頻器修改為正反饋，變頻器做正轉(zhuǎn)準(zhǔn)備；當(dāng)處于退絲狀態(tài)時(shí)，再將變頻器修改為負(fù)反饋，變頻器做反轉(zhuǎn)準(zhǔn)備。

（2）卷徑復(fù)位。在每次放卷棍更換時(shí)，由于卷徑發(fā)生很大變化，為了保證啟動(dòng)正常平穩(wěn)，在觸摸屏上設(shè)置卷徑復(fù)位功能，將更換后的卷徑通過(guò)通訊的方式寫(xiě)入到變頻器當(dāng)前卷徑參數(shù)內(nèi)；

（3）速度信號(hào)極性。由于測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的電壓會(huì)隨轉(zhuǎn)速的方向而變換極性，所以必須要將參數(shù)4-18=2；

4 結(jié)束語(yǔ)

由于臺(tái)達(dá)變頻器在恒張力控制上豐富的功能，很容易就完成了調(diào)試工作，啟動(dòng)運(yùn)行停速?gòu)埩Χ寄軌虮３址€(wěn)定，調(diào)試效果得到了客戶(hù)的肯定。