一,、前言

　　隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和城市化進程的加快,，不銹鋼所具有的輕巧、環(huán)保,、美觀等優(yōu)點被大量使用,，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遇,，眾多國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)受到生產(chǎn)設備技術條件的限制，生產(chǎn)的產(chǎn)品還處于中,、低端市場,，競爭力不強。用先進的自動化控制技術來提升我國裝備制造業(yè)水平,，縮短與世界先進生產(chǎn)設備的距離,，對生產(chǎn)設備進行升級換代，已刻不容緩,。由深圳市微能科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的高性能強功能矢量型變頻器—WIN-VC系列產(chǎn)品,，該變頻器達到了極高的響應性和穩(wěn)定性，真正能在各種工業(yè)現(xiàn)場應用自如,，是國內(nèi)眾多工業(yè)設備和自動化機械制造客戶的首選,。通過WIN-VC矢量型變頻器在不銹鋼磨砂機張力收卷上的成功應用表明，以前進口品牌在收,、放卷,、提升等變頻器高端應用領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電機驅(qū)動,，壓輥、磨砂帶各由1臺2.2KW電機驅(qū)動,，四個動力點的速度都由同步控制器輸出0-10V信號,，控制變頻器同步運行。不銹鋼板從放卷電機開卷,，經(jīng)前整壓輥引入進入生產(chǎn)線,，通過磨砂帶的高速旋轉(zhuǎn)打磨拋光，進入到清洗水箱進行液體噴射清潔,、高壓風機干燥處理后,，由收卷電機進行收卷、包裝,?！　?/p>

　　現(xiàn)有系統(tǒng)的弊端有以下幾點：1）四個傳動點由于各動力點的受力不均勻，無法在同一線速度下實現(xiàn)同步運行,。2）放卷電機由普通變頻器驅(qū)動,，經(jīng)常在手動模式下由于操作工后兩個傳動點開得太快，使V1經(jīng)常跳OU故障,，容易引起飛車危險,。3）壓輥、磨砂電機在低速時易打滑,，影響產(chǎn)品品質(zhì),。4）收卷處電機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,，或者達不到內(nèi)緊外松的收卷要求,。5）在上料、下料時不易控制,，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：必須保證四個傳動點的線速度V1=V2=V3=V4；V1和V4能工作在恒張力模式下,，進行速度/力矩控制,。用變頻器做恒張力控制的實質(zhì)是閉環(huán)矢量控制，即加旋轉(zhuǎn)編碼器進行速度反饋,。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,、大卷啟動時的瞬間加速,、減速,、停車，都要在不同卷徑下進行不同的轉(zhuǎn)矩補償,，這樣才能使得收卷的整個過程很穩(wěn)定,，避免小卷時張力過大，而大卷啟動時松馳現(xiàn)象,。 V2、V3在低速時保證足夠的轉(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,，以先進技術的控制理論為基礎,，通過智能化的控制手段，使變頻器控制的調(diào)速系統(tǒng)達到了極高的響應性和穩(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）等強大功能,，達到同類進口產(chǎn)品的性能,，真正能在各種工業(yè)現(xiàn)場應用自如。WIN-VC可實現(xiàn)四種控制方式：

　　1.無PG矢量控制：應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

    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時達150%額定轉(zhuǎn)矩)并可實現(xiàn)力矩控制，與PLC配合使用,，可以實現(xiàn)速度鏈控制,、自動負荷控制、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,，就是能控制電機輸出的力矩,，即輸出多少牛頓·米,。反應到電機軸即能控制電機的輸出轉(zhuǎn)距。目前控制張力途徑有兩個：一是通過控制電機的速度來實現(xiàn),；二是通過控制電機的輸出轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn),。WIN-VC變頻器可通過三種方式可實現(xiàn)張力控制：

　　1.張力閉環(huán)控制方式（速度模式）。通過PLC檢測和計算材料的線速度和卷徑的實時計算,，由張力檢測裝置反饋的張力信號與張力設定值構(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定值構(gòu)成PID閉環(huán)，調(diào)節(jié)變頻器輸出轉(zhuǎn)矩,，可實現(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,，實時的根據(jù)張力的設定值,、錐度、補償量,，以及卷軸直徑計算出所需要的轉(zhuǎn)矩,，從而達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，需要進行轉(zhuǎn)矩的補償,。在不同速度的時候,，補償?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,，具有不同的補償系數(shù),。收卷整個過程的轉(zhuǎn)矩補償過程：電機的輸出轉(zhuǎn)矩=靜摩擦轉(zhuǎn)矩(激活瞬間)+滑動摩擦轉(zhuǎn)矩+負載轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩的補償為:（1）在加速時還要加上加速轉(zhuǎn)矩,。（2）在減速時要減去減速轉(zhuǎn)矩,。（3）停車時，因為是通過程控減速至設定的最低速,，所以停車時的轉(zhuǎn)矩補償與減速轉(zhuǎn)矩的處理方法相同。 在張力控制模式下,要對速度進行限制,否則會出現(xiàn)飛車,。轉(zhuǎn)矩的計算和卷徑的計算原理如下：

　　1)轉(zhuǎn)矩的計算：

　　T=（F×D）/（2×i）

　　其中：T 變頻器輸出轉(zhuǎn)矩指令,， F 張力設定指令， i 機械傳動比,， D 卷筒的卷徑,，電機的轉(zhuǎn)矩被計算出來后，作為變頻器的電流環(huán)的給定,，這樣就可以控制電機的輸出轉(zhuǎn)矩,，所以轉(zhuǎn)矩計算非常重要。

　　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，并同時從各個變頻器中讀取速度,、電流,、轉(zhuǎn)矩等信號，用作控制和顯示,。PLC程序的主要任務是：處理起停連鎖,、故障報警、速度控制以及顯示,， 根據(jù)材料厚度按卷筒旋轉(zhuǎn)圈數(shù)進行卷徑累加或遞減,，如果是線材還需設定每層的圈數(shù)，也可以從PG獲得圈數(shù)此方法在單一產(chǎn)品的生產(chǎn)場合被廣泛應用,。若厚度是需要經(jīng)常變化的,，需要通過人機界面HMI將厚度信號傳送到PLC，由PLC進行運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)算是一個比較復雜的傳動系統(tǒng),，必須分步進行調(diào)試。包括變頻器調(diào)試,、PLC調(diào)試,、生產(chǎn)試運行三個步驟。

　　4.1變頻器的參數(shù)設定及說明

　　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)速指令和實際速度的比較值通過一個速度調(diào)節(jié)器ASR后再進行轉(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）自學習：要實現(xiàn)高精度的矢量控制性能,，需建立在精確的電機模型參數(shù)上。WIN-VC的動態(tài)自學習模式,，可測量從低到高不同頻率段時電機的參數(shù),，從而獲得準確的電機參數(shù)。在不同的頻率段建立相應頻率段的電機模型,，使變頻器從低頻到高頻都能精確控制電機,。由于電機的一些參數(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，為獲得最佳電機參數(shù),，使系統(tǒng)達到最佳的控制性能,，建議在自學習之前最好將變頻器帶電機先運行十分鐘以上，待電機溫升達到正常工作時的溫度再進行自學習,。

　　2) 將編碼器的信號接至變頻器,，并在變頻器上設定編碼器的參數(shù),。然后用鍵盤給定頻率和進行啟停控制,，觀察顯示的運行頻率是否在設定頻率的左右波動,。因為運用閉環(huán)矢量控制時，運行頻率總是在參考編碼器反饋的速度,，最大限度的接近設定頻率,，所以運行頻率是在設定頻率的附近變化的。

　　3）放卷變頻器V1實際上只是提供一個反向的拉緊力,，所以其控制精度要求不高,。調(diào)試相對簡單。關于零速時的反向拉緊,，即零速保持,，必須同時設定速度極限功能，可避免斷料時的飛車情況,，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組相應參數(shù)或通過操作鍵盤修改L7組相關參數(shù)等輸入信號任意設定,。當不想在負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，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,，為±5%，10Hz以下時精度較低,。電機輸出力矩達到力矩限制值時,，力矩控制優(yōu)先，電機的轉(zhuǎn)速控制和補償都無效,。應該注意的是會出現(xiàn)加減速時間增加及轉(zhuǎn)速降低的情況,，而轉(zhuǎn)速降低正是收卷時所需要的特性。矢量控制時的速度（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：為了防止負載力矩因故消失后電機發(fā)生飛車現(xiàn)象,，力矩模式控制時可以設定速度限制值。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。力矩控制時的另一個特點是在控制過程中可以加入力矩補償,，在力矩控制的系統(tǒng)起動時,，為克服系統(tǒng)的靜摩擦提供了一個額外的力矩，使系統(tǒng)的響應更加迅速,?！?/p>

　　5) WIN-VC變頻器相關參數(shù)設定（WIN-VB參數(shù)、接線圖略）

　　環(huán)境設定參數(shù)

　　應用設定參數(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的速度給定,，并讀取該傳動點的速度,、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。

　　在程序中設定空芯卷徑和最大卷徑的數(shù)值,。通過前面卷徑計算,，算出電機尾部所加編碼器產(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的速度進行限定,，因為變頻器用作張力控制時,，如果不對最高速進行限定，一旦出現(xiàn)異常情況,，收卷電機會出現(xiàn)飛車危險,。

　　4.3 生產(chǎn)試運行

　　在生產(chǎn)試運行前，必須設定好各動力點的參數(shù),，各種保護功能是否正確動作,，速度的限制控制值和轉(zhuǎn)矩的限制值是否設定正確等等。同時還應注意：

　　1.各個動力點必須先進行空載運行試驗,。

    2.在帶載試生產(chǎn)中,，根據(jù)生產(chǎn)的實際情況還應修正各類系數(shù)，如力矩補償,、力矩增益,、ASR參數(shù)等等，以確保各動力點的速度協(xié)調(diào),。通過設定以上的幾個參數(shù),，可以有效的改變系統(tǒng)慣量對加,、減速時的影響，可以達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，磨砂機各個動力點的控制相當平穩(wěn),，加工出來的不銹鋼表面光潔,，無氣孔，無渣,，收卷達到內(nèi)緊外松的要求,。

    結(jié)束語

　　采用WIN-VC矢量型變頻器實現(xiàn)了磨砂機的收、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。張力設定在人機界面HMI上完成,，使用卷徑的實時計算方法,，精確度非常高，保證了電機輸出轉(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，從而大大提高了設備的可靠性和生產(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。