引 言
拉絲機(jī)是金屬線材生產(chǎn)的重要設(shè)備，主要是將金屬線材拉拔成各種規(guī)格的細(xì)絲。從產(chǎn)品規(guī)格上可分為：大拉機(jī)、中拉機(jī)、小拉機(jī)以及細(xì)微拉。從機(jī)械結(jié)構(gòu)上可分為：滑輪式、活套式、水箱式和直進(jìn)式。在電線電纜行業(yè)，雙變頻細(xì)微拉應(yīng)用十分廣泛。相對(duì)而言，其要求的控制性能也較低，而對(duì)大部分鋼絲生產(chǎn)企業(yè)，針對(duì)材料特性，其精度要求和拉拔穩(wěn)定度高，因此使用直進(jìn)式拉絲機(jī)較多。特別是焊材生產(chǎn)企業(yè)，氣體保護(hù)焊絲、埋弧焊絲、鋁焊絲、氬弧焊絲、不銹鋼焊絲、高強(qiáng)度焊絲以及最先進(jìn)的藥芯焊絲，其對(duì)拉絲機(jī)的電氣控制要求很高。變頻器作為主要的電氣控制部分，它的性能，特別是張力控制的精度直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。
深圳正弦電氣作為一家專業(yè)的變頻器制造商，所生產(chǎn)的拉絲機(jī)專用變頻器，以其卓越的性能贏得了電線電纜企業(yè)和焊絲生產(chǎn)企業(yè)的認(rèn)可和好評(píng)。
一、拉絲機(jī)工作原理
直進(jìn)式拉絲機(jī)是有多個(gè)拉拔頭組成的小型的連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備，通過逐級(jí)拉拔，可以一次性地把鋼絲冷拉到所需的規(guī)格，所以工作效率比較高。但是，由于通過每一級(jí)的拉拔后，鋼絲的線徑發(fā)生了變化，所以每個(gè)拉拔頭工作線速度也應(yīng)有變化。
根據(jù)拉模配置的不同，各個(gè)拉拔頭的拉拔速度也要變化。拉拔速度的基準(zhǔn)是每個(gè)時(shí)刻通過拉模的鋼絲的秒流量體積不變，即使以下公式成立：
πR2×V1= πr2×V2
其中 R：進(jìn)線鋼絲的直徑
r： 出線鋼絲的直徑
V1：進(jìn)線鋼絲的線速度
V2：出線鋼絲的線速度
直進(jìn)式拉絲機(jī)的各個(gè)拉拔頭的工作速度就是基于以上的公式，保證各個(gè)拉拔頭同步運(yùn)行。但是，以上的說明是基于理想狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)工作過程，由于機(jī)械傳動(dòng)的誤差以及機(jī)械傳動(dòng)的間隙，還有在起動(dòng)、加速、減速、停止等動(dòng)態(tài)的工作過程中，各個(gè)拉拔頭就無法保持同步，所以，我們?cè)谥边M(jìn)式拉絲機(jī)上采用了位移傳感器（如圖1所示），動(dòng)態(tài)測(cè)量各個(gè)拉拔頭間的鋼絲的張力，再把張力轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(0/4～20mA或0～10V)，用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)反饋給調(diào)速變頻器，變頻器用這個(gè)信號(hào)作閉環(huán)PID過程控制，在主速度上疊加上PID計(jì)算的調(diào)整量，保持各個(gè)張力檢測(cè)點(diǎn)的張力恒定，也就保證了直進(jìn)式拉絲機(jī)工作在同步恒張力的工作狀態(tài)。
二、系統(tǒng)介紹
該套設(shè)備的作用是對(duì)藥芯焊絲的二次精拉。藥芯焊絲是用鋼帶卷曲為空心的鋼絲，卷曲的過程中，將特制的藥粉填充空心處，經(jīng)過拉拔后形成2.80mm左右的一次成品。再經(jīng)過二次拉拔形成1.20mm左右的成品（依需求而定）。我們調(diào)試的時(shí)候模具的配比如表1。
根據(jù)客戶要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了11聯(lián)直進(jìn)式拉絲機(jī)，該系統(tǒng)采用深圳正弦電氣新一代產(chǎn)品——完全電流矢量張力控制專用變頻器SINE309和拉絲機(jī)拉絲專用變頻器SINE311，系統(tǒng)配置如圖1所示，人機(jī)界面+PLC+正弦變頻器。
1. 人機(jī)界面
良好的人機(jī)接口，使操作簡(jiǎn)潔方便，各種參數(shù)一目了然。
在界面上設(shè)計(jì)了多種功能功能——系統(tǒng)啟動(dòng)、停車、跳卷、線速度設(shè)定、收卷點(diǎn)動(dòng)、斷線保護(hù)有效、防護(hù)罩有效等，方便操作人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作和監(jiān)控。
2. PLC
PLC在整個(gè)系統(tǒng)中起著重要的作用——①得到人機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)后，PLC輸出使變頻器RUN與COM端子閉合，變頻器運(yùn)行。②根據(jù)觸摸屏上設(shè)定的線速度，PLC的D/A模塊輸出0~10V的主速度信號(hào)，并按照30秒的加減速線性變化，如下圖2所示。③低速穿線時(shí)，需要前聯(lián)動(dòng)、正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)、反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)和后聯(lián)動(dòng)。
前聯(lián)動(dòng)：我們以放線工字輪為最前，假如我們?cè)?#塔輪處腳踏前聯(lián)動(dòng)開關(guān)，應(yīng)該是1#~4#機(jī)聯(lián)動(dòng)，即PLC使1#~4#變頻器同時(shí)走點(diǎn)動(dòng)頻率，以此類推。
正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)：當(dāng)某臺(tái)塔輪上線材松動(dòng)時(shí)，需要單獨(dú)點(diǎn)動(dòng)該臺(tái)，其他塔輪不動(dòng)作。
反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)：極少用到可以不設(shè)計(jì)。
后聯(lián)動(dòng)：仍以放線工字輪為參照——最前，假如我們?cè)?#塔輪處腳踏后聯(lián)動(dòng)開關(guān)，應(yīng)該是4#~11#機(jī)聯(lián)動(dòng)。
3. 變頻器
機(jī)臺(tái)上有11個(gè)塔輪，其中1#~10#采用正弦SINE309拉絲機(jī)張力控制專用變頻器，分別對(duì)應(yīng)位移傳感器。位移傳感器反饋給變頻器4~20mA的電流信號(hào)，變頻器以此保證線材的恒張力。11#采用正弦SINE311拉絲機(jī)拉絲專用變頻器，沒有張力機(jī)構(gòu)。12#同樣采用正弦SINE309變頻器控制收線輪，與1#~10#不同的是，收線工字輪的卷徑在不斷的變化，而且還要保持線材恒張力，以免張力過大斷線或太松亂線。
在前面提到，我們拉拔的是藥芯焊絲，其材質(zhì)較實(shí)心鋼絲柔軟很多。06年我們給客戶安裝的6套八聯(lián)和3套七聯(lián)直進(jìn)式拉絲機(jī)，加工的都是高碳鋼絲或不銹鋼絲，材質(zhì)堅(jiān)硬，即使在調(diào)試過程中汽缸擺臂有較大晃動(dòng)，也可能不會(huì)斷線。藥芯焊絲的硬度大約只有高碳鋼或不銹鋼絲的一半，在生產(chǎn)過程中就要求張力控制得很好，即汽缸擺臂幾乎不晃動(dòng)，才能保證生產(chǎn)的高效。也就是要求變頻器有很好的張力控制能力。
三、正弦變頻器特點(diǎn)
● 正弦變頻器采用磁場(chǎng)定向電流閉環(huán)矢量控制，電機(jī)變量完全解耦。
● 采用美國(guó)TI公司最新款高性能32bit電機(jī)控制專用DSP，高速、準(zhǔn)確完成復(fù)雜的控制算法，國(guó)內(nèi)首家產(chǎn)品化應(yīng)用。
● 調(diào)速精度：0.01Hz
● 調(diào)速范圍：0.01~600.00Hz
● 沖擊負(fù)載：180%電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，2秒內(nèi)不跳脫。
● 低頻轉(zhuǎn)矩：0.00 Hz，150%額定轉(zhuǎn)矩輸出。180%額定轉(zhuǎn)矩加速和減速。
SINE309系列拉絲機(jī)張力控制專用變頻器
(1) 型拉絲機(jī)收卷專用變頻器, 不用設(shè)定變頻器參數(shù)，出廠值即最佳參數(shù)，只需要按說明書正確接線，就可以開機(jī)正常工作；
(2) 所有動(dòng)態(tài)參數(shù)：卷徑、傳動(dòng)比、線徑，空盤、半盤、滿盤，低速、中速、高速，張力、斷線全部由變頻器內(nèi)部自動(dòng)處理；
(3) 不需要PID板，只需要外接操作開關(guān)、少量中間繼電器、指示燈和顯示儀表；
(4) 系統(tǒng)更簡(jiǎn)潔、成本更低、維護(hù)更方便，同時(shí)，控制效果更佳，設(shè)備運(yùn)行更穩(wěn)定；
(5) 張力平衡桿或位移傳感器在下限位、中間位或上限位，都可開機(jī)運(yùn)行。自動(dòng)跟蹤拉絲線速度，張力平衡桿或位移傳感器基本維持在中點(diǎn)位置；
(6) 變頻器與電機(jī)同功率配匹使用，不需要放大變頻器的容量；
(7) 適用于雙變頻、多變頻拉絲或收卷的張力控制應(yīng)用場(chǎng)合，更換拉絲模具或機(jī)臺(tái)數(shù)時(shí)不需要調(diào)整任何參數(shù)。
SINE011系列拉絲機(jī)拉絲專用變頻器
(1) 傻瓜型拉絲機(jī)拉絲專用變頻器, 不用設(shè)定變頻器參數(shù)，出廠值即最佳參數(shù)，只需要按說明書正確接線，就可以開機(jī)正常工作。低速穿模、高速拉絲相互獨(dú)立；
（2）無轉(zhuǎn)速死區(qū)，低速1Hz額定轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)輸出，穿模、試機(jī)沒有材料損耗；
（3）根據(jù)拉絲線材實(shí)際負(fù)載變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出頻率，維持線速度恒定；
（4）不分材質(zhì)，可拉鋼絲、鐵絲、銅絲、鋁絲及其它材料；
（5）變頻器與電機(jī)同功率匹配使用，不需要放大變頻器的容量。
四、安裝調(diào)試
表2 1#～10#SINE309參數(shù)設(shè)置
功能代碼 代碼名稱 出廠值 設(shè)置
F0.02 驅(qū)動(dòng)方式 2：無PG矢量控制0 2：無PG矢量控制0
F0.04 啟�？刂七x擇 0：鍵盤 1：端子
F0.08 速度給定方式 000 002：過程PID輸入方式
F0.14 點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行頻率 5.00Hz 2.50Hz
F0.16 加速時(shí)間1 15.00S 2.00S
F0.17 減速時(shí)間1 15.00S 2.00S
F0.18 點(diǎn)動(dòng)加速時(shí)間 15.00S 8.00S
F0.19 點(diǎn)動(dòng)減速時(shí)間 15.00S 8.00S
F0.25 最大頻率 50.00Hz 55.00Hz
F0.26 上限頻率 50.00Hz 55.00Hz
F2.04 VS濾波時(shí)間 0.30S 0.00S
F2.06 VF濾波時(shí)間 0.30S 0.00S
F5.04 功能輸入X3 3：多段速度端子1 8：自由停車
F5.05 功能輸入X4 4：多段速度端子2 10：正轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)FJOG
F7.08 PID調(diào)節(jié)模式 00000 00011：PID調(diào)節(jié)器輸出+前饋輸出
F7.12 前饋輸入增益 40.00 100.00
F7.13 PID輸出增益 100.00 30.00
F7.14 比例增益GP 0.40 0.20
F7.15 積分時(shí)間Gti 10.000 10.000
F7.16 微分時(shí)間GTd 0.000 0.000
F7.19 PID輸出死區(qū)時(shí)間 5.00 0.00
F7.20 PID軟啟動(dòng)時(shí)間 5.00 0.20
F8.07 電流比例增益 0.40 0.00
F8.08 電流積分時(shí)間 10.00 0.00
FA.17 滑差補(bǔ)償增益 100.00 0.00
FB.00 拉絲機(jī)控制方式 0 10：0～前饋增益上限
FB.02 軟啟動(dòng)前饋間隔 1000 800
FB.03 中點(diǎn)前饋間隔 800 600
FB.04 中速前饋間隔 200 150
FB.05 快速前饋間隔 100 80
FB.08 中點(diǎn)前饋范圍2 20.00 25.00
FB.09 中速前饋范圍1 25.00 30.00
FB.10 中速前饋范圍2 30.00 35.00
FB.11 快速前饋范圍1 35.00 40.00
說明：
（1）F0.02=2 無PG矢量控制0——無PG開環(huán)矢量控制
電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信息只是實(shí)時(shí)估算，而不進(jìn)行反饋控制，電流全程實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，，0.50Hz輸出達(dá)150%的額定力矩，自動(dòng)跟蹤負(fù)載的變化并自動(dòng)限定輸出電流，使其不超過允許的最大電流值。即使負(fù)載突變、快速加減速，變頻器也不發(fā)生故障，實(shí)現(xiàn)通用變頻器配置的高性能、高可靠性。
（2）F0.08=002 過程PID輸入方式——PID調(diào)節(jié)器有效
（3）F7.08=10 PID調(diào)節(jié)器輸出+前饋輸出
即GFK*VS+K2*UPID 。其中K1為F7.12前饋輸入增益GFK，K2為F7.13 PID輸出增益，VS為主速度信號(hào)，由PLC的D/A模塊提供，UPID 為PID的調(diào)節(jié)信號(hào)。此方式特別適合張力閉環(huán)PID控制，取消外部PID控制器。K1隨收線卷卷徑自動(dòng)調(diào)節(jié)，直至收放設(shè)備的最佳實(shí)時(shí)傳動(dòng)比。
（4）FB.00=10 0～前饋增益上限
如上所說，GFK隨收線卷卷徑自動(dòng)調(diào)節(jié)，直至收放設(shè)備的最佳實(shí)時(shí)傳動(dòng)比。達(dá)到最佳狀態(tài)時(shí)GFK的值確定后，可以將此參數(shù)十位改為0前饋增益不變化。
調(diào)試
(1) 變送器模式：位移傳感器感應(yīng)面接近金屬時(shí)，反饋的模擬量信號(hào)就越弱，反之便越強(qiáng)。調(diào)試時(shí)，要根據(jù)凸輪曲面與傳感器感應(yīng)面的變化規(guī)律，選擇變送器模式。
例如本案例中，當(dāng)汽缸擺臂在下限位時(shí)，凸輪曲面與傳感器感應(yīng)面離得最近，即反饋到變頻器的信號(hào)最弱約0.05V，此時(shí)說明1#機(jī)轉(zhuǎn)快了，應(yīng)該放慢速度，這樣PID就是反作用。反之則為正作用。
(2) 由于機(jī)臺(tái)比較大，所有11臺(tái)11KW電機(jī)等都與機(jī)臺(tái)直接接觸，高速生產(chǎn)過程中，難免有震動(dòng)。再加上生產(chǎn)過程中由于線材原因難免斷線，汽缸擺臂的碰撞可能會(huì)使凸輪松動(dòng)或傳感器位置偏移，除了安裝時(shí)將其緊固外，過一段時(shí)間要檢查一下傳感器反饋給變頻器的信號(hào)是否在0~10V內(nèi)，最好不要存在死區(qū)或死區(qū)范圍不能太大。否則直接影響變頻器對(duì)線材張力做出正確判斷。具體方法如圖4。
將凸輪和傳感器緊固后，用手均勻推動(dòng)汽缸擺臂，使其在上下限位置平滑移動(dòng)，觀察SINE309變頻器監(jiān)視功能代碼C25——PID運(yùn)算反饋，看其是否在0.000~10.000內(nèi)成線性變化，不能有跳躍或死區(qū)。
(3) 張力機(jī)的調(diào)試
所謂張力機(jī)就是成品收卷部分，由于客戶以前的老設(shè)備都采用的是力矩電機(jī)、直流電機(jī)或磁粉離合器收卷，習(xí)慣上把這部分叫做張力機(jī)�？蛻粼�(jīng)試過采用變頻收卷，但效果都不很滿意。當(dāng)?shù)弥覀儾捎米冾l收線時(shí)，客戶還有些擔(dān)心，但調(diào)試結(jié)果使客戶很滿意。
12#收卷變頻器同樣采用正弦SINE309變頻器，唯一不同的是，1#~10#變頻器塔輪上的卷徑?jīng)]有變化，而12#則所生產(chǎn)的進(jìn)行，工字輪卷徑不斷增大。SINE309變頻器通過實(shí)時(shí)卷徑自動(dòng)計(jì)算，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，保持線速度一定。PID自動(dòng)調(diào)節(jié)使張力輪始終處在中間位置，保持恒張力。張力機(jī)構(gòu)采用張力輪的形式，如圖5所示。
(4) PID閉環(huán)控制的參數(shù)調(diào)整
設(shè)定變頻器的過程PID閉環(huán)控制方式有效，通過反饋信號(hào)觀測(cè)系統(tǒng)的輸出，根據(jù)輸出波形調(diào)整PID控制器的參數(shù)，一般采用如下的規(guī)律調(diào)節(jié)：
● 在輸出不振蕩時(shí)，增大比例增益GP
● 在輸出不振蕩時(shí)，減小積分時(shí)間常數(shù)GTi
● 在輸出不振蕩時(shí)，增大微分時(shí)間常數(shù)GTd
實(shí)際調(diào)節(jié)時(shí)，可按如下步驟調(diào)整PID參數(shù)：
抑制輸出超調(diào)：縮短微分時(shí)間常數(shù)Td，延長(zhǎng)積分時(shí)間常數(shù)Ti。如圖6所示。
抑制輸出周期振蕩：減小微分時(shí)間常數(shù)Td或使其為0，減小比例增益P。如圖7所示。
五、總結(jié)
德州聚力焊材從06年至今已經(jīng)先后使用正弦變頻器配套3套6聯(lián)滑輪式、9套8聯(lián)直進(jìn)式拉絲機(jī)和1套11聯(lián)直進(jìn)式拉絲機(jī)，使用一年多，生產(chǎn)效率大幅提高，且故障率低，維護(hù)方便，客戶非常滿意。
