一,、前言
隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，不銹鋼所具有的輕巧,、環(huán)保,、美觀等優(yōu)點(diǎn)被大量使用,，尤其是在大城市和沿海城市，不銹鋼的使用數(shù)量已超過歐美國家,。不銹鋼已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè),、水工業(yè)、建筑業(yè),、家電業(yè),、環(huán)保工業(yè)等現(xiàn)代化工業(yè)中，可以這樣說,，中國城市化的過程就是擴(kuò)大使用不銹鋼的過程,。在最近幾年，不銹鋼行業(yè)取得了飛速的發(fā)展,，面臨著前所未有的巨大機(jī)遇,，眾多國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)受到生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)條件的限制，生產(chǎn)的產(chǎn)品還處于中,、低端市場,，競爭力不強(qiáng)。用先進(jìn)的自動化控制技術(shù)來提升我國裝備制造業(yè)水平,，縮短與世界先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備的距離,，對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行升級換代，已刻不容緩,。由深圳市微能科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的高性能強(qiáng)功能矢量型變頻器—WIN-VC系列產(chǎn)品,，該變頻器達(dá)到了極高的響應(yīng)性和穩(wěn)定性，真正能在各種工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用自如,，是國內(nèi)眾多工業(yè)設(shè)備和自動化機(jī)械制造客戶的首選,。通過WIN-VC矢量型變頻器在不銹鋼磨砂機(jī)張力收卷上的成功應(yīng)用表明，以前進(jìn)口品牌在收,、放卷,、提升等變頻器高端應(yīng)用領(lǐng)域壟斷的局面將被打破，WIN-VC系列變頻器的面世將大大促進(jìn)我國裝備制造業(yè)總體水平的提高,。
二,、張力控制變頻收卷應(yīng)用及工藝要求
2.1 原收卷裝置的弊端
在不銹鋼的加工過程中，它的磨砂和清洗工藝是否先進(jìn)對產(chǎn)品品質(zhì)起著決定性的作用,，系統(tǒng)一般由以下部分組成：放卷,、收卷由兩臺5.5KW電機(jī)驅(qū)動，壓輥,、磨砂帶各由1臺2.2KW電機(jī)驅(qū)動,，四個(gè)動力點(diǎn)的速度都由同步控制器輸出0-10V信號，控制變頻器同步運(yùn)行,。不銹鋼板從放卷電機(jī)開卷,，經(jīng)前整壓輥引入進(jìn)入生產(chǎn)線,，通過磨砂帶的高速旋轉(zhuǎn)打磨拋光，進(jìn)入到清洗水箱進(jìn)行液體噴射清潔,、高壓風(fēng)機(jī)干燥處理后,，由收卷電機(jī)進(jìn)行收卷、包裝,?！ ?/p>
現(xiàn)有系統(tǒng)的弊端有以下幾點(diǎn)：1）四個(gè)傳動點(diǎn)由于各動力點(diǎn)的受力不均勻，無法在同一線速度下實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行,。2）放卷電機(jī)由普通變頻器驅(qū)動,，經(jīng)常在手動模式下由于操作工后兩個(gè)傳動點(diǎn)開得太快，使V1經(jīng)常跳OU故障,，容易引起飛車危險(xiǎn),。3）壓輥、磨砂電機(jī)在低速時(shí)易打滑,，影響產(chǎn)品品質(zhì),。4）收卷處電機(jī)V4經(jīng)常出現(xiàn)過載和失速現(xiàn)象，鋼帶經(jīng)常出現(xiàn)張力過大繃緊變形,，或者達(dá)不到內(nèi)緊外松的收卷要求,。5）在上料,、下料時(shí)不易控制,，危及操作工的安全。
2.2 微能WIN-VC變頻器簡介
解決上述弊端的方法：必須保證四個(gè)傳動點(diǎn)的線速度V1=V2=V3=V4,；V1和V4能工作在恒張力模式下,，進(jìn)行速度/力矩控制。用變頻器做恒張力控制的實(shí)質(zhì)是閉環(huán)矢量控制,，即加旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行速度反饋,。對收卷來說，收卷的卷徑是由小到大變化的,，為了保證恒張力,，所以要求電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩要由小到大變化。在收卷的過程中,，小卷,、大卷啟動時(shí)的瞬間加速、減速,、停車,，都要在不同卷徑下進(jìn)行不同的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，這樣才能使得收卷的整個(gè)過程很穩(wěn)定,，避免小卷時(shí)張力過大,，而大卷啟動時(shí)松馳現(xiàn)象,。 V2、V3在低速時(shí)保證足夠的轉(zhuǎn)矩,，保證上料過程中不出現(xiàn)打滑,、倒退的現(xiàn)象。由深圳市微能科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的無感矢量型WIN-VB,、電流矢量型WIN-VC變頻器產(chǎn)品可滿足上述要求,。
WIN-VC變頻器是一款通用高性能矢量變頻器，是真正的電流矢量控制變頻器,，以先進(jìn)技術(shù)的控制理論為基礎(chǔ),，通過智能化的控制手段，使變頻器控制的調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到了極高的響應(yīng)性和穩(wěn)定性,，具有高起動轉(zhuǎn)距,、低速穩(wěn)定性好，精確的力矩控制,、節(jié)能控制,、零伺服功能、下垂控制（DROOP）等強(qiáng)大功能,，達(dá)到同類進(jìn)口產(chǎn)品的性能,，真正能在各種工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用自如。WIN-VC可實(shí)現(xiàn)四種控制方式：
1.無PG矢量控制：應(yīng)用于所有需要變速驅(qū)動的場合
2.有PG矢量控制：簡易伺服驅(qū)動,，高精度速度控制,，力矩控制的場合
3.無PG V/f控制： 傳統(tǒng)的變頻器控制方式，可使一臺變頻器驅(qū)動多臺電機(jī)
4.有PGV/f控制： 簡易速度反饋控制
特別是在PG矢量控制方式下,，以其極高的速度控制精度(+0.02%),、極高的零起動轉(zhuǎn)矩(在0r/min時(shí)達(dá)150%額定轉(zhuǎn)矩)并可實(shí)現(xiàn)力矩控制，與PLC配合使用,，可以實(shí)現(xiàn)速度鏈控制,、自動負(fù)荷控制、自動速差控制等功能,，在生產(chǎn)線傳動中得到大量應(yīng)用,，并取得了較好的控制效果。
2.3 變頻張力開環(huán)控制收卷系統(tǒng)組成
張力控制的定義：所謂的張力控制,，就是能控制電機(jī)輸出的力矩,，即輸出多少牛頓·米。反應(yīng)到電機(jī)軸即能控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距,。目前控制張力途徑有兩個(gè)：一是通過控制電機(jī)的速度來實(shí)現(xiàn),；二是通過控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)。WIN-VC變頻器可通過三種方式可實(shí)現(xiàn)張力控制：
1.張力閉環(huán)控制方式（速度模式）,。通過PLC檢測和計(jì)算材料的線速度和卷徑的實(shí)時(shí)計(jì)算,，由張力檢測裝置反饋的張力信號與張力設(shè)定值構(gòu)成PID閉環(huán),，調(diào)整變頻器的輸出頻率。
2.張力開環(huán)控制方式（轉(zhuǎn)矩模式）,。變頻器工作在閉環(huán)矢量方式下,，系統(tǒng)須安裝旋轉(zhuǎn)編碼器?？刂葡到y(tǒng)簡單,，無需張力反饋裝置，即可獲得穩(wěn)定的張力效果,。這種控制方式適合在較低速度下的大張力控制,，本文所要介紹的就是此種張力控制方式。
3.張力閉環(huán)控制方式（轉(zhuǎn)矩模式）,。在b)的基礎(chǔ)上增加了張力反饋閉環(huán)調(diào)節(jié),，由張力檢測裝置反饋張力信號與張力設(shè)定值構(gòu)成PID閉環(huán)，調(diào)節(jié)變頻器輸出轉(zhuǎn)矩,，可實(shí)現(xiàn)精確的張力控制精度,。
在 2.張力開環(huán)控制這種模式下，利用變頻器矢量控制的轉(zhuǎn)矩控制功能,，實(shí)時(shí)的根據(jù)張力的設(shè)定值,、錐度、補(bǔ)償量,，以及卷軸直徑計(jì)算出所需要的轉(zhuǎn)矩,，從而達(dá)到間接的控制張力的目的。結(jié)構(gòu)簡潔,，效果非常好,。系統(tǒng)組成如下:
三、變頻張力開環(huán)收卷的控制原理
要保證收卷過程的平穩(wěn)性,，不論是大卷、小卷,、加速,、減速、激活,、停車都能保證張力的恒定,，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償。在不同速度的時(shí)候,，補(bǔ)償?shù)南禂?shù)是不同的,，即加速轉(zhuǎn)矩、減速轉(zhuǎn)矩,、停車轉(zhuǎn)矩,、激活轉(zhuǎn)矩,，具有不同的補(bǔ)償系數(shù)。收卷整個(gè)過程的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償過程：電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=靜摩擦轉(zhuǎn)矩(激活瞬間)+滑動摩擦轉(zhuǎn)矩+負(fù)載轉(zhuǎn)矩,。轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償為:（1）在加速時(shí)還要加上加速轉(zhuǎn)矩,。（2）在減速時(shí)要減去減速轉(zhuǎn)矩。（3）停車時(shí),，因?yàn)槭峭ㄟ^程控減速至設(shè)定的最低速,，所以停車時(shí)的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償與減速轉(zhuǎn)矩的處理方法相同。 在張力控制模式下,要對速度進(jìn)行限制,否則會出現(xiàn)飛車,。轉(zhuǎn)矩的計(jì)算和卷徑的計(jì)算原理如下：
1)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算：
T=（F×D）/（2×i）
其中：T 變頻器輸出轉(zhuǎn)矩指令,， F 張力設(shè)定指令， i 機(jī)械傳動比,， D 卷筒的卷徑,，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩被計(jì)算出來后，作為變頻器的電流環(huán)的給定,，這樣就可以控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩,，所以轉(zhuǎn)矩計(jì)算非常重要。
2）卷徑算法原理:
厚度積分法,。在系統(tǒng)中,，PLC根據(jù)工藝需要來決定輸出速度/力矩，并同時(shí)從各個(gè)變頻器中讀取速度,、電流,、轉(zhuǎn)矩等信號，用作控制和顯示,。PLC程序的主要任務(wù)是：處理起停連鎖,、故障報(bào)警、速度控制以及顯示,， 根據(jù)材料厚度按卷筒旋轉(zhuǎn)圈數(shù)進(jìn)行卷徑累加或遞減,，如果是線材還需設(shè)定每層的圈數(shù)，也可以從PG獲得圈數(shù)此方法在單一產(chǎn)品的生產(chǎn)場合被廣泛應(yīng)用,。若厚度是需要經(jīng)常變化的,，需要通過人機(jī)界面HMI將厚度信號傳送到PLC，由PLC進(jìn)行運(yùn)算后再傳送給變頻器,。
四,、系統(tǒng)調(diào)試過程
不銹鋼生產(chǎn)線的變頻控制系統(tǒng)算是一個(gè)比較復(fù)雜的傳動系統(tǒng)，必須分步進(jìn)行調(diào)試,。包括變頻器調(diào)試,、PLC調(diào)試、生產(chǎn)試運(yùn)行三個(gè)步驟。
4.1變頻器的參數(shù)設(shè)定及說明
收卷變頻調(diào)速及其控制：V2,、V3用WIN-VB系列變頻器工作在無感矢量模式下,，自動轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償可滿足低速高轉(zhuǎn)矩的要求；V1,、V4用WIN-VC系列變頻器工作在力矩/速度模式下,，可達(dá)到收、放卷的性能要求,。在變頻器的PG矢量控制中,，轉(zhuǎn)速指令和實(shí)際速度的比較值通過一個(gè)速度調(diào)節(jié)器ASR后再進(jìn)行轉(zhuǎn)矩限定，然后用來控制變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩,。限制轉(zhuǎn)矩的作用就是用來限定速度調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)矩電流指令,，直接限制變頻器的輸出頻率。對于收卷而言,，隨著卷徑的逐漸增大,，速度將慢慢減小而轉(zhuǎn)矩值也隨之增大，這時(shí)主要控制轉(zhuǎn)矩值的大小就可以基本上保證轉(zhuǎn)矩值的精度,。
1）自學(xué)習(xí)：要實(shí)現(xiàn)高精度的矢量控制性能,，需建立在精確的電機(jī)模型參數(shù)上。WIN-VC的動態(tài)自學(xué)習(xí)模式,，可測量從低到高不同頻率段時(shí)電機(jī)的參數(shù),，從而獲得準(zhǔn)確的電機(jī)參數(shù)。在不同的頻率段建立相應(yīng)頻率段的電機(jī)模型,，使變頻器從低頻到高頻都能精確控制電機(jī),。由于電機(jī)的一些參數(shù)（如空載電流、額定滑差,、轉(zhuǎn)子電阻,、鐵芯飽和系數(shù)等）在不同的溫度下有較大差異，為獲得最佳電機(jī)參數(shù),，使系統(tǒng)達(dá)到最佳的控制性能,，建議在自學(xué)習(xí)之前最好將變頻器帶電機(jī)先運(yùn)行十分鐘以上，待電機(jī)溫升達(dá)到正常工作時(shí)的溫度再進(jìn)行自學(xué)習(xí),。
2) 將編碼器的信號接至變頻器,，并在變頻器上設(shè)定編碼器的參數(shù)。然后用鍵盤給定頻率和進(jìn)行啟?？刂疲^察顯示的運(yùn)行頻率是否在設(shè)定頻率的左右波動,。因?yàn)檫\(yùn)用閉環(huán)矢量控制時(shí),，運(yùn)行頻率總是在參考編碼器反饋的速度，最大限度的接近設(shè)定頻率，所以運(yùn)行頻率是在設(shè)定頻率的附近變化的,。
3）放卷變頻器V1實(shí)際上只是提供一個(gè)反向的拉緊力,，所以其控制精度要求不高。調(diào)試相對簡單,。關(guān)于零速時(shí)的反向拉緊,，即零速保持，必須同時(shí)設(shè)定速度極限功能,，可避免斷料時(shí)的飛車情況,，保障操作人員的安全。
4) V4在速度/力矩模式下重要參數(shù)調(diào)整說明：
a,、力矩限制功能：在PG矢量控制方式下,，力矩限制功能的典型應(yīng)用是開環(huán)力矩限制收(放)卷功能。力矩指令可以由多功能模擬量輸入端子,、ModBus通信卡修改L7組相應(yīng)參數(shù)或通過操作鍵盤修改L7組相關(guān)參數(shù)等輸入信號任意設(shè)定,。當(dāng)不想在負(fù)載上施加一定量以上的力矩及不想發(fā)生一定量以上的再生能量時(shí)，可以使用力矩限制功能,。力矩限制的精度：在輸出頻率10Hz以上時(shí),，為±5%，10Hz以下時(shí)精度較低,。電機(jī)輸出力矩達(dá)到力矩限制值時(shí),，力矩控制優(yōu)先，電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制和補(bǔ)償都無效,。應(yīng)該注意的是會出現(xiàn)加減速時(shí)間增加及轉(zhuǎn)速降低的情況,，而轉(zhuǎn)速降低正是收卷時(shí)所需要的特性。矢量控制時(shí)的速度（ASR）是把速度指令和速度檢出值（PG的反饋或者速度運(yùn)算值的偏差）調(diào)為零,，來控制力矩指令,。
b,、速度限制功能：為了防止負(fù)載力矩因故消失后電機(jī)發(fā)生飛車現(xiàn)象,，力矩模式控制時(shí)可以設(shè)定速度限制值。速度限制的給定同樣可以由多功能模擬量輸入端子,、ModBus通信,、操作鍵盤等輸入信號任意設(shè)定。速度限制的控制功能在力矩控制的收,、放卷系統(tǒng)中非常有用,，可以控制收卷的速度時(shí)刻跟隨著牽引的速度，控制因過速引起的收卷故障,。力矩控制時(shí)的另一個(gè)特點(diǎn)是在控制過程中可以加入力矩補(bǔ)償,，在力矩控制的系統(tǒng)起動時(shí),，為克服系統(tǒng)的靜摩擦提供了一個(gè)額外的力矩，使系統(tǒng)的響應(yīng)更加迅速,?！?/p>
5) WIN-VC變頻器相關(guān)參數(shù)設(shè)定（WIN-VB參數(shù)、接線圖略）
環(huán)境設(shè)定參數(shù)
應(yīng)用設(shè)定參數(shù)
6）變頻器接線圖
4.2 PLC程序調(diào)試
PLC程序主要功能有：
1.磨砂傳動的速度給定,，并讀取該傳動的速度,、電流、轉(zhuǎn)矩信號
2.根據(jù)磨砂速度來決定各動力點(diǎn)的速度給定,，并讀取該傳動點(diǎn)的速度,、電流、轉(zhuǎn)矩信號
3.處理收卷傳動的切換,，即工位之間互換時(shí)速度給定和轉(zhuǎn)矩限幅的給定,，各I/O信號是否動作正確。
在程序中設(shè)定空芯卷徑和最大卷徑的數(shù)值,。通過前面卷徑計(jì)算,，算出電機(jī)尾部所加編碼器產(chǎn)生的最大脈沖量（P2）和最低脈沖量 ( P2 )。通過算出的最大脈沖量對收卷電機(jī)的速度進(jìn)行限定,，因?yàn)樽冾l器用作張力控制時(shí),，如果不對最高速進(jìn)行限定，一旦出現(xiàn)異常情況,，收卷電機(jī)會出現(xiàn)飛車危險(xiǎn),。
4.3 生產(chǎn)試運(yùn)行
在生產(chǎn)試運(yùn)行前，必須設(shè)定好各動力點(diǎn)的參數(shù),，各種保護(hù)功能是否正確動作,，速度的限制控制值和轉(zhuǎn)矩的限制值是否設(shè)定正確等等。同時(shí)還應(yīng)注意：
1.各個(gè)動力點(diǎn)必須先進(jìn)行空載運(yùn)行試驗(yàn),。
2.在帶載試生產(chǎn)中,，根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況還應(yīng)修正各類系數(shù)，如力矩補(bǔ)償,、力矩增益,、ASR參數(shù)等等，以確保各動力點(diǎn)的速度協(xié)調(diào),。通過設(shè)定以上的幾個(gè)參數(shù),，可以有效的改變系統(tǒng)慣量對加、減速時(shí)的影響,，可以達(dá)到非常好的收卷效果,。在用戶現(xiàn)場測試，加工厚度D=0.3mm到D=1mm不銹鋼板材時(shí),，磨砂機(jī)各個(gè)動力點(diǎn)的控制相當(dāng)平穩(wěn),，加工出來的不銹鋼表面光潔,，無氣孔,，無渣,，收卷達(dá)到內(nèi)緊外松的要求。
結(jié)束語
采用WIN-VC矢量型變頻器實(shí)現(xiàn)了磨砂機(jī)的收,、放卷張力控制,，與原系統(tǒng)相比，具有操作簡單,、安全,、可靠、加工精度高等優(yōu)點(diǎn),。張力設(shè)定在人機(jī)界面HMI上完成,，使用卷徑的實(shí)時(shí)計(jì)算方法，精確度非常高,，保證了電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的平滑特性,，使得板材、線材類的高速加工成為了現(xiàn)實(shí),，從而大大提高了設(shè)備的可靠性和生產(chǎn)率,，成本上并沒有過多的增加，提升了企業(yè)的產(chǎn)品品質(zhì)和競爭力,。