變頻器在成繩機(jī)收線改造中的應(yīng)用

張星云 貴州鋼繩股份有限公司

一、問題的提出

對收線系統(tǒng)的改造是我們設(shè)備人員多年來的一種追求，我車間8x1600 和8x1250 成繩機(jī)，在1997 年用可控硅直流控制系統(tǒng)分別取代了原德式發(fā)電機(jī)組，這大套整流控制系統(tǒng)在2006 開始頻繁發(fā)生故障，經(jīng)過認(rèn)真檢查發(fā)現(xiàn)是電流調(diào)節(jié)控制板上的部分元件失效，但是已經(jīng)無法購買此類調(diào)節(jié)板，只有將整個(gè)電源和調(diào)節(jié)控制部分全部改造，因此造價(jià)較高。經(jīng)過分析比較，決定采用價(jià)格相對經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的變頻調(diào)速方式來改造。

二、對解決方法的探討

1.摸索改造階段

運(yùn)用變頻器恒轉(zhuǎn)矩特性改造成股繩機(jī)收線系統(tǒng)，2003 年就在12x500 股繩機(jī)上已經(jīng)成功應(yīng)用。后又在其它股繩機(jī)和所有成繩機(jī)（除8x1600 外）以及新安裝機(jī)臺(tái)上得以推廣應(yīng)用。

變頻技術(shù)在8x1600 成繩機(jī)上的改造可謂一波三折，2005 年至2007 年上半年我們將其它機(jī)臺(tái)的成功改造控制技術(shù)移植到這臺(tái)機(jī)器，在生產(chǎn)普通鋼繩時(shí)基本能滿足生產(chǎn)，可在生產(chǎn)一些特殊鋼繩（如四股繩、鍍鋅涂塑繩）時(shí)就不能正常生產(chǎn)，鋼繩在牽引輪上總是會(huì)打滑引起瓦口處小捻距產(chǎn)生，甚至根本開不正常，先后經(jīng)過八次反復(fù)試驗(yàn)都未成功。

2.前幾次失敗原因分析

改造失敗原因到底是什么因素引起？為什么在其它股繩機(jī)和成繩機(jī)上改造可以正常運(yùn)行，而只在8x1600 成繩機(jī)改造不能實(shí)現(xiàn)呢？為什么采用同樣的控制方式生產(chǎn)普通鋼繩可以滿足，而生產(chǎn)特殊繩就不能正常生產(chǎn)呢？經(jīng)認(rèn)真對比分析，原因有以下兩種：

（1）與設(shè)備牽引結(jié)構(gòu)有關(guān)，因?yàn)槌?x1600 成繩機(jī)外，沒有一臺(tái)成股繩機(jī)采用雙牽引輪單驅(qū)動(dòng)方式，也就是說只有主動(dòng)輪帶動(dòng)力。

在生產(chǎn)普通鋼繩時(shí)，收線系統(tǒng)單靠主動(dòng)輪的摩擦力就可以滿足需要。可是在實(shí)際生產(chǎn)中，設(shè)計(jì)生產(chǎn)φ110mm 的鋼繩槽用來生產(chǎn)直徑30mm 或更小的鋼繩，本身摩擦力就不夠，再加上新的工藝要求，定徑輥的壓力要求特別大，如φ28mm 的四股繩和φ88mm 鍍鋅涂塑繩（繩徑超差情況）。這樣就在生產(chǎn)過程中為收線控制系統(tǒng)提出了很高的要求，既要求速度精度高，又要求有很好的穩(wěn)定性，同時(shí)還要求收線有很大的張力，才能使鋼繩在牽引輪上不因?yàn)榇蚧鹜呖谔幮∧砭喈a(chǎn)生。

（2）與開環(huán)控制方式有關(guān)系

開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制方式，沒有依靠電動(dòng)機(jī)的速度反饋信號，直接用電位器給定電壓信號到變頻器，變頻器輸入一個(gè)相應(yīng)的力矩到電動(dòng)機(jī)。系統(tǒng)運(yùn)行在低頻區(qū)域時(shí),其性能不夠理想,當(dāng)主機(jī)重新啟動(dòng)時(shí)，收線電動(dòng)機(jī)由堵轉(zhuǎn)狀態(tài)變?yōu)檫\(yùn)行狀態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度就跟不上，使得牽引輪和收線輪之間的鋼繩就會(huì)松弛，在生產(chǎn)部分特殊產(chǎn)品時(shí)就不能滿足生產(chǎn)。

因?yàn)闋恳Y(jié)構(gòu)原因，要求收線張力系統(tǒng)精度非常高，要求收線電機(jī)在設(shè)備啟動(dòng)、運(yùn)行和停止整個(gè)過程中必須一直保持恒張力（繃緊）狀態(tài)，保證鋼繩的捻距在生產(chǎn)工藝所規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，并且在主機(jī)啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度特別快，同樣采用原來的開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制方式特性就達(dá)不到。

3.重新改造試驗(yàn)階段

在2007 年9月份又重新采用以下兩種方法改造試驗(yàn)：

（1）采用1998 年才成熟的直接轉(zhuǎn)矩控制方式，變頻器依靠測量電機(jī)電流和直流電壓作為自適應(yīng)電機(jī)模型的輸入。該模型每隔25μs 產(chǎn)生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通實(shí)際值，轉(zhuǎn)矩比較器和磁通比較器將轉(zhuǎn)矩和磁通的實(shí)際值與轉(zhuǎn)矩和磁通的給定值進(jìn)行比較，以確定最佳開關(guān)位置。進(jìn)而調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通，以達(dá)到精確控制的目的。

首先用變頻器分別驅(qū)動(dòng)主機(jī)和收線電機(jī)做實(shí)驗(yàn)。電機(jī)配有旋轉(zhuǎn)編碼器與變頻器形成閉環(huán)控制模式，變頻器配有通訊卡與PLC通過網(wǎng)絡(luò)通訊連接，PLC 可以通過網(wǎng)絡(luò)直接讀取電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)參與運(yùn)算，觸摸屏手寫參數(shù)輸入，收線電機(jī)采用閉環(huán)力矩控制模式，在整個(gè)過程中收線半徑（卷徑）會(huì)越來越大，所以要求收線力矩越來越大。

在PLC 程序中首先通過輸入捻距與主機(jī)轉(zhuǎn)速相乘計(jì)算出鋼繩線速度，根據(jù)線速度相等的原理，我們計(jì)算出卷徑，然后算出實(shí)際需要的力矩，再加到收線電動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)張力自動(dòng)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)控制過程是全自動(dòng)控制。

本次試驗(yàn)先進(jìn)行了空車試驗(yàn)，檢查了整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)的工作情況，檢查了變頻器閉環(huán)工作情況，系統(tǒng)啟停運(yùn)行正常。

帶載試驗(yàn)時(shí)，分別試驗(yàn)了2 種比較有代表性的繩子，按照正常生產(chǎn)的要求進(jìn)行設(shè)定，設(shè)備運(yùn)行正常，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

（2）考慮到實(shí)際操作過程中可能會(huì)出現(xiàn)誤操作，于是我們考慮不用觸摸屏手寫參數(shù)輸入，主電動(dòng)機(jī)反饋信號也不參與運(yùn)算，直接運(yùn)用所選變頻器的特有性能，只利用收線電動(dòng)機(jī)編碼器反饋信號來提高響應(yīng)速度和精度。

用速度控制環(huán)和轉(zhuǎn)矩控制環(huán)分開控制，在速度控制環(huán)采用固有頻率控制，在轉(zhuǎn)矩控制環(huán)采用電位器外部張力調(diào)節(jié)，內(nèi)部轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，這樣張力在0%-300%范圍內(nèi)可以任意手動(dòng)調(diào)節(jié)。

這次試驗(yàn)，其精度在原來開環(huán)控制的基礎(chǔ)上提高了15%。但達(dá)不到觸摸屏輸入、PLC 運(yùn)算、主機(jī)收線變頻器控制和編碼器反饋控制的穩(wěn)定性和控制精度以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。在開小噸位的鋼繩時(shí)沒有什么問題，需要開30 噸以上的鋼繩時(shí)必須要靠掛收線減速箱的擋位來實(shí)現(xiàn)，也就是加大收線傳動(dòng)比，這時(shí)收線的輪的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度就減小，滿足不了收大噸位的要求。

為了提高第二方法的穩(wěn)定性、控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，我們充分利用了變頻器的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制特性，通過PLC 控制方便靈活的特點(diǎn)作如下改進(jìn)：

利用變頻器速度控制特性“較硬”的特點(diǎn)，在主機(jī)啟動(dòng)時(shí)首先由PLC 給定收線變頻器一個(gè)速度控制信號，以加快收線輪動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，避開轉(zhuǎn)矩控制的速度“死區(qū)”，主機(jī)啟動(dòng)一定時(shí)間后PLC 自動(dòng)轉(zhuǎn)換到力矩控制模式，就能正常收線運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.比較實(shí)施階段

采用以上兩種改進(jìn)后控制方式，在主機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行和停止整個(gè)過程中，收線都能保持恒定張力，其控制精度、穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度都達(dá)到理想效果，不同規(guī)格產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)效果一致，比直流系統(tǒng)更穩(wěn)定可靠。

兩種控制方式在2007 年9 月份和10 月份經(jīng)過多次試驗(yàn)，都獲得成功。通過比較，選用第一種控制方式，有優(yōu)點(diǎn)也有許多缺點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：參數(shù)輸入準(zhǔn)確后能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

缺點(diǎn)：一是需要生產(chǎn)人員通過觸摸屏輸入產(chǎn)品捻距和繩徑以及收線輪卷徑的寬度，這對生產(chǎn)人員要求很嚴(yán)格，不能出差錯(cuò)；二是控制程序較復(fù)雜，維護(hù)也較困難；三是需要觸摸屏和主機(jī)編碼器參與運(yùn)算，改造費(fèi)用投入較高。

第二種控制方式，控制方式比較簡單、價(jià)格經(jīng)濟(jì)、實(shí)用性更強(qiáng)。于是決定采用改進(jìn)后第二種控制方式來改造。在2007 年12 月份已經(jīng)成功改造完畢。

5.改造效果

在改造安裝并調(diào)試完后，生產(chǎn)的第一件產(chǎn)品就是比較特殊的四股繩，這種鋼繩由于定徑輥的壓力要求特別大，在前幾次應(yīng)用在其它機(jī)臺(tái)已經(jīng)成熟的改造方法來試驗(yàn)，遇到此類鋼繩生產(chǎn)都無法正常進(jìn)行，這次改造完成后順利的生產(chǎn)完畢第一件特殊繩，直到今天生產(chǎn)的任何結(jié)構(gòu)鋼繩都沒有遇到什么問題。

三、結(jié)束語

選用適合的變頻器，充分利用變頻器的各種特性，再通過PLC 實(shí)現(xiàn)控制方式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，完全能取代原直流調(diào)速系統(tǒng)。經(jīng)過先后不斷的探索和努力，最終使變頻控制技術(shù)在8x1600 成繩機(jī)收線系統(tǒng)的改造中得以成功應(yīng)用。