安川變頻器在金屬拉絲機(jī)上的應(yīng)用

摘要：金屬拉絲機(jī)主要應(yīng)用在對(duì)銅絲、鋁絲、不銹鋼絲等金屬線纜材料的加工，屬線纜制造行業(yè)極為重要的加工設(shè)備。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在拉絲機(jī)行業(yè)，承擔(dān)著拉絲調(diào)速、張力卷取、多級(jí)同步控制等環(huán)節(jié)，變頻器的應(yīng)用，大大提高了拉絲機(jī)的自動(dòng)化水平與加工能力、有效降低了設(shè)備的單位能耗與維護(hù)成本，得到了行業(yè)的廣泛認(rèn)同。 安川變頻器用在拉絲機(jī)行業(yè)已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史，性價(jià)比高，穩(wěn)定性強(qiáng)是該行業(yè)對(duì)安川產(chǎn)品的美譽(yù)。本文主要講解安川變頻器在傳統(tǒng)水箱式拉絲中的應(yīng)用方式，以及講述一種新的應(yīng)用方式在該行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：安川變頻器，PID，脈沖偏置，模擬量疊加

Abstract: Metalwire drawing machine is mainly applied on copper, aluminum, stainless steelwire and other metal wire materials processing, cable manufacturing industry isextremely important processing equipment. With frequency control technologycontinues to evolve, the inverter has been widely used in wire drawing machineindustry, bear drawing speed, tension reel, multi-level synchronization controland other aspects of the application of the drive, greatly improving the wiredrawing machine the level of automation and processing capabilities,effectively reducing energy consumption per unit of equipment and maintenancecosts, has been widely recognized by the industry. Yaskawa used in wire drawingmachine industry has a long history, cost-effective, strong stability is theindustry's reputation for Yaskawa products. This article explains Yaskawatraditional tank type wire drawing application, as well as about the way a newapplication field of application in the industry.

Key word: Yaskawa Inverter,PID, pulse bias, analog overlay

引言：拉絲機(jī)是在工業(yè)應(yīng)用中使用很廣泛的機(jī)械設(shè)備，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造，五金加工，石油化工，塑料，竹木制品，電線電纜等行業(yè)。 拉絲機(jī)按其用途可分為金屬拉絲機(jī)、塑料拉絲機(jī)、竹木拉絲機(jī)等。金屬拉絲機(jī)行業(yè)又名牽伸機(jī)，從產(chǎn)品終端來說，拉絲機(jī)可分為大拉機(jī)，中拉機(jī)，小拉機(jī)和微拉機(jī)，從內(nèi)部控制方式和機(jī)械結(jié)構(gòu)來說拉絲機(jī)有水箱式拉絲機(jī)、直進(jìn)式拉絲機(jī)、滑輪式拉絲機(jī)等，水箱式拉絲機(jī)拉拔絲成品直徑范圍在0.1~1.2MM之間，工作特性為滑動(dòng)式拉絲，多道次拉拔。其主電氣傳動(dòng)部分由牽伸電機(jī)、收線電機(jī)、排線電機(jī)組成。設(shè)備其它輔助部分有擺桿（張力架）、定位輪、分線輪、往復(fù)排線桿等組成。牽伸電機(jī)驅(qū)動(dòng)伸線輪運(yùn)轉(zhuǎn)，四級(jí)伸線輪經(jīng)皮帶聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)金屬拉伸，收線電機(jī)實(shí)現(xiàn)收卷，下面以水箱式小拉絲機(jī)為例說明設(shè)備概況及功能：

   水箱式小拉絲機(jī)采用臥式設(shè)計(jì)，由一個(gè)主電機(jī)通過平皮帶傳動(dòng)于4條塔輪主軸及引取軸上；收線軸由獨(dú)立三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雙變頻同步拉伸及收卷的原理。圓銅線經(jīng)過放線架進(jìn)入拉伸室，通過塔輪、拉絲模具進(jìn)行拉伸。拉伸時(shí)，線材和模具的冷卻方式是采用噴淋式。銅線依次經(jīng)過引取輪、計(jì)數(shù)導(dǎo)輪、張力搖桿導(dǎo)輪、過線導(dǎo)輪、排線導(dǎo)輪，進(jìn)入收線盤。收線張力的控制是由張力搖桿提供偏差信號(hào)，收線變頻器通過PID控制實(shí)現(xiàn)雙變頻同步收線。電氣控制系統(tǒng)通過PID功能，保證了正常啟停及停機(jī)后再啟動(dòng)無需人工輔助都能平穩(wěn)加速運(yùn)行。具有設(shè)定數(shù)值到達(dá)自動(dòng)停機(jī)、急停剎車、斷線急停及故障保護(hù)急停等功能。生產(chǎn)速度的調(diào)節(jié)是由拉絲變頻器和收線變頻器實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速的。排線系統(tǒng)是采用絲桿滑軌式排線，同步電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。；卷取部份的剎車系統(tǒng)是采用失電氣動(dòng)剎車，當(dāng)運(yùn)行時(shí)發(fā)生斷線或操作急停時(shí)，馬上執(zhí)行緊急停車，迅速靈敏地及時(shí)制動(dòng)線盤，避免被線材打傷并確保了安全操作，其原理圖如下所示：

從上圖我們可以看出，水箱式拉絲機(jī)主要分為三個(gè)部分：分別是放線，拉絲和收線，三個(gè)部分其主要構(gòu)成如下：

放線部分：放線使用11KW電機(jī)，采用11KW變頻器拖動(dòng)，速度采用外部操作盤電位器給定變頻器主速，為了得到平緩的速度控制，加減速度時(shí)間一般都設(shè)置在120秒左右，對(duì)速度精度沒有太高的要求。

拉絲部分：拉絲環(huán)節(jié)為拉絲機(jī)最重要的工作環(huán)節(jié)，主要是由塔輪纏繞銅絲或鋁絲做伸線拉拔，通過增加眼模數(shù)可以縮小金屬絲的直徑，得到拉絲把大線拉成小線的效果。

收線部分：收線是拉線機(jī)最復(fù)雜的工作環(huán)節(jié)，收線的速度決定了整臺(tái)機(jī)械的生產(chǎn)效率，收線電機(jī)采用4KW電機(jī)，使用3.7KW變頻器，變頻器通過張力桿的波動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)時(shí)運(yùn)行速度，以保證其工作穩(wěn)定性，無論在起動(dòng)，運(yùn)行和停止時(shí)刻，張力擺桿擺幅太大都會(huì)導(dǎo)致拉斷絲的狀況出現(xiàn)。

拉絲機(jī)使用安川變頻器接線如下圖所示：

 使用安川F7變頻器參數(shù)如下所示

   參數(shù)調(diào)試前，我們必須校驗(yàn)張力擺桿中位值，擺桿反饋信號(hào)是從A3端口輸入，因此我們需要監(jiān)視U1-17的信號(hào)值，同時(shí)為了減少誤差，讓最低點(diǎn)位于4%幅度左右，然后讀取擺桿擺到中間點(diǎn)位置的百分比作為目標(biāo)值。

拉絲機(jī)的難點(diǎn)在于收線變頻器的參數(shù)調(diào)節(jié)，收線變頻器調(diào)節(jié)效果的好壞直接關(guān)系到收線最大速度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，變頻器的調(diào)節(jié)主要在于PID調(diào)節(jié)的好壞，在拉絲機(jī)應(yīng)用的PID場(chǎng)合下，由于系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，我們會(huì)使用到P、I和D，通過觀察擺桿的運(yùn)動(dòng)狀況調(diào)節(jié)變頻器的PID參數(shù)，傳統(tǒng)技巧性的方法如下：第一步，把比例增益P預(yù)置到最小，而把積分時(shí)間I預(yù)置到較大，比如說5秒左右；第二步，逐漸加大P，一直到系統(tǒng)發(fā)生震蕩，然后將P值取其一半；第三步逐漸減少I，一直到系統(tǒng)發(fā)生振蕩，然后將I的當(dāng)前值增加50%，這樣調(diào)節(jié)出來的PI值會(huì)比較準(zhǔn)，而D值可觀察起動(dòng)時(shí)擺桿的晃動(dòng)，如晃動(dòng)太大適當(dāng)加大D值即可。當(dāng)然也可以采用經(jīng)驗(yàn)值，設(shè)定固定的PID參數(shù)值，再觀察擺桿狀況調(diào)節(jié)參數(shù)，如果響應(yīng)性不足的情況下，可加大P，減少I，如果在加減速度過程中響應(yīng)性不足還可以減少D，如果擺桿在高速運(yùn)行狀態(tài)中呈周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)一般是I較大，可減少I或適當(dāng)延長(zhǎng)D。

由參數(shù)表可以看出，安川F7是采用脈沖口頻率偏置來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)值的定義，而本身的脈沖口并不使用，只是將端口定義為PID的目標(biāo)值即可。PID使用過程中采用頻率指令加PID輸出，對(duì)偏差進(jìn)行微分控制，可以得到很好的效果，擺桿無論在起動(dòng)，恒速和減速狀態(tài)下波動(dòng)都很小，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)收線的動(dòng)作。

隨著安川產(chǎn)品的升級(jí)，原有的7系列產(chǎn)品現(xiàn)在已經(jīng)升級(jí)到1000系列，可使用V1000或者A1000，在1000系列產(chǎn)品已經(jīng)可以在PID參數(shù)項(xiàng)中直接設(shè)定目標(biāo)值了，因此不用脈沖口偏置來實(shí)現(xiàn)PID的目標(biāo)值，這樣就更能理解其PID的使用方式。在小拉機(jī)中，由于電機(jī)功率為4KW和11KW，都在V1000產(chǎn)品的功率范圍內(nèi)，因此V1000產(chǎn)品用在拉絲機(jī)上的性價(jià)比更高，同時(shí)各個(gè)功能和性能也能可以滿足。下表為使用V1000用作拉絲機(jī)的參數(shù)設(shè)置：

拉絲機(jī)收線的結(jié)構(gòu)決定了其使用擺桿校正的方式，而對(duì)于變頻器來說會(huì)自然而然使用到PID功能，然而有個(gè)別的拉絲機(jī)拉線線材韌性較強(qiáng)，可以采用模擬量疊加方式來代替PID的功能。而采用模擬量疊加的方式最重要的是要調(diào)整張力電位器，張力擺桿接－10~10V信號(hào)，讓擺桿中位值為0V，因?yàn)閿[桿的最高位和最低位電壓不同，因此需使用到模擬量偏置，使擺桿上下波動(dòng)呈線性變化。

收線變頻器參數(shù)設(shè)置如下：

以上參數(shù)測(cè)試在實(shí)際運(yùn)行中效果良好，無論在加速，勻速或減速過程中擺桿擺動(dòng)幅度均很小，得到客戶的好評(píng)。