1 引言

在電工機(jī)械制造行業(yè)，金屬線纜收放卷設(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，線纜的收放卷設(shè)備要求能工藝過(guò)程保持線纜張力的穩(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)變頻器在某線纜設(shè)備廠的焊絲層繞機(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)器為浙江某線纜設(shè)備廠生產(chǎn)的焊絲層繞機(jī)，主要的作用是將大棍的金屬線棍整齊的分裝排列成為小棍的金屬線棍，排線恒張力控制是工藝穩(wěn)定的基本自動(dòng)化環(huán)節(jié)。

圖1 線棍排線分裝機(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，還能夠提高最高線速度（直流調(diào)速時(shí)為被動(dòng)放卷，最高線速度18m/s；改為變頻器做主動(dòng)放卷，最高線速度25m/s），從而提高工作的效率。

當(dāng)線速度達(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就能夠滿足要求。

由于臺(tái)達(dá)BW系列變頻器具有收放卷專用控制功能，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)盤直徑/10-24負(fù)載側(cè)軸端轉(zhuǎn)盤直徑）；設(shè)置線速度來(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)整線速度

先設(shè)定好最高線速度。由于此系統(tǒng)中線速度是通過(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)

在正確線速度的前提下，分別在滿卷徑和空卷徑時(shí)選擇合適的P/I/D值，如果滿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)卷繞的絲線質(zhì)量不好時(shí)，就需要將卷繞的絲線退回去重新卷繞，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)試效果得到了客戶的肯定。