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变频器和PLC在拉丝机上的应用

作者:济南泉杰 来源:未知 日期:2011-7-12 16:55:01 人气: 标签:PLC应用
导读: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…

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。

直进式拉丝机实物
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:
   πR2×V1=πr2×V2
  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
 模具配比表    

    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
直进式拉丝机工作原理图    

    1、人机界面:
  良好的人机接口,使操作简洁方便,各种参数一目了然。
  我们在界面上设计了多种功能功能——系统启动、停车、跳卷、线速度设定、收卷点动、断线保护有效、防护罩有效等,方便操作人员对设备进行操作和监控。
  2、PLC
  PLC在整个系统中起着重要的作用——①得到人机的启动信号后,PLC输出使变频器RUN与COM端子闭合,变频器运行。②根据触摸屏上设定的线速度,PLC的D/A模块输出0~10V的主速度信号,并按照30秒的加减速线性变化,如下图所示
  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。
    三、正弦变频器特点
  ●正弦变频器采用磁场定向电流闭环矢量控制,电机变量完全解耦。
  ●采用美国TI公司最新款高性能32bit电机控制专用DSP,高速、准确完成复杂的控制算法,国内首家产品化应用。
  ●调速精度:0.01Hz
  ●调速范围:0.01~600.00Hz
  ●冲击负载:180%电机额定转速,2秒内部跳脱。
  ●低频转矩:0.00Hz,150%额定转矩输出。180%额定转矩加速和减速。
  SINE309系列拉丝机张力控制专用变频器
  1、型拉丝机收卷专用变频器,不用设定变频器参数,出厂值即最佳参数,只需要按说明书正确接线,就可以开机正常工作;
  2、所有动态参数:卷径、传动比、线径,空盘、半盘、满盘,低速、中速、高速,张力、断线全部由变频器内部自动处理;
  3、不需要PID板,只需要外接操作开关、少量中间继电器、指示灯和显示仪表;
  4、系统更简洁、成本更低、维护更方便,同时,控制效果更佳,设备运行更稳定; 
  5、张力平衡杆或位移传感器在下限位、中间位或上限位,都可开机运行。自动跟踪拉丝线速度,张力平衡杆或位移传感器基本维持在中点位置;
  6、变频器与电机同功率配匹使用,不需要放大变频器的容量;
  7、适用于双变频、多变频拉丝或收卷的张力控制应用场合,更换拉丝模具或机台数时不需要调整任何参数。
SINE311系列拉丝机拉丝专用变频器
  1、傻瓜型拉丝机拉丝专用变频器,不用设定变频器参数,出厂值即最佳参数,只需要按说明书正确接线,就可以开机正常工作。低速穿模、高速拉丝相互独立;
  2、无转速死区,低速1Hz额定转矩平稳输出,穿模、试机没有材料损耗;
  3、根据拉丝线材实际负载变化,自动调节输出频率,维持线速度恒定;
  4、不分材质,可拉钢丝、铁丝、铜丝、铝丝及其它材料;
  5、变频器与电机同功率匹配使用,不需要放大变频器的容量。
四、安装调试
  (一)、1#~10#SINE309参数设置    

    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=10PID调节器输出+前馈输出
  即K1*VS+K2*UPID。其中K1为F7.12前馈输入增益GFK,K2为F7.13PID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=100~前馈增益上限
  如上所说,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。达到最佳状态时K1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去范围不能太大。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:
   将凸轮和传感器紧固后,用手均匀推动汽缸摆臂,使其在上下限位置平滑移动,观察SINE309变频器监视功能代码C25——PID运算反馈,看其是否在0.000~10.000内成线性变化,不能有跳跃或死区。
   3、张力机的调试 
  所谓张力机就是成品收卷部分,由于客户以前的老设备都采用的是力矩电机、直流电机或磁粉离合器收卷,习惯上把这部分叫做张力机。客户曾经试过采用变频收卷,但效果都不很满意。当得知我们采用变频收线时,客户还有些担心,但调试结果使客户使客户很满意。
  12#收卷变频器同样采用正弦SINE309变频器,唯一不同的是,1#~10#变频器塔轮上的卷径没有变化,而12#则所生产的进行,工字轮卷径不断增大。SINE309变频器通过实时卷径自动计算,调节转速,保持线速度一定。PID自动调节使张力轮始终处在中间位置,保持恒张力。
  张力机构采用张力轮的形式,如图所示
   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。如图所示。
五、总结
  山东某厂从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。

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