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1、系統概述
為滿足現代化紡織工業高自動化、高效率、高可靠性和高精度的要求，可編程控制器、人機界面、和變頻器傳動控制在紡織工業上取得了廣泛的應用。
艾默生工業自動化（中國）（以下簡稱艾默生）的變頻器產品以其豐富的功能、優越的性能在紡織行業里面取得了很好的應用，下面是艾默生變頻器在某化纖廠2萬噸滌綸短纖生產線的應用情況介紹。
滌綸生產線，整個生產系統是由前紡部分和后紡部分組成。
前紡部分主要是由擠壓、溶體輸送、紡絲、卷繞等部分組成。
后紡部分設備包括集束架、導絲機、浸油槽、一道牽伸機、水浴牽伸槽、二道牽伸機、蒸汽加熱箱、緊張熱定型、冷卻、三道牽伸機、疊絲機、張力架、卷曲機加熱、卷曲機、鋪絲機、烘干、卷繞、切斷等。由于此部分對各個環節的速度同步控制非常嚴格，采用了PROFIBUS總線控制。
2、前紡紡絲部分的變頻器調速系統
2.1前紡紡絲機的生產工藝流程
前紡紡絲機的生產工藝流程圖如下：
圖1 前紡紡絲機生產工藝流程圖
（1） 紡絲：聚脂材料經過擠壓后，變成溶體，并經過溶體管道連續輸送到紡絲箱體。在紡絲箱體上裝有紡絲計量泵，溶體從紡絲計量泵上以均勻的流速傳至紡絲組件，經過過濾后從噴絲板上的小孔中擠壓成束，一個噴絲板噴出的絲約有幾千條，噴出后的絲束經過一個快速冷卻風管，然后將眾多聚脂纖維集結在一起，并通過上油后，傳至卷繞機上面。
（2） 卷繞機：將上油后的落下的32股絲束合并成一股絲束，經過牽引，經喂入輪落入到盛絲桶中，做為后紡部分的原材料。
2.2前紡紡絲機對電氣傳動的要求
（1） 為了保證滌綸短纖維的纖度均勻一致，要求32臺紡絲計量泵的轉速必須嚴格同步，其精度為0.01～0.05%。
（2） 為了滿足纖維多品種的要求，計量泵要有一個較寬的速度調節范圍，紡絲計量泵的轉速調節范圍約為3:1～5:1。
（3） 為了避免紡絲計量泵停車后造成的經濟損失，要求調速器具有較高的可靠性、穩定性。
2.3前紡紡絲機的變頻調速系統
由圖1的生產工藝流程可以看出，在前紡紡絲機部分的變頻調速系統如下：
圖2 前紡紡絲機的變頻調速系統
（1） 擠出機部分，因負載比較大，并且要求要有較高的低頻轉矩，在變頻器上選用的是EV2000系列產品，可以在0.5HZ時達到180%的轉矩。
（2） 因計量泵的轉速嚴格要求同步并且穩定，在計量泵電機的選擇上，采用了永磁同步電機，選擇開環控制方案。因永磁同步電機的運轉速度僅僅取決于供電頻率（N=60F/P），在變頻器和電機的功率匹配上面，采取了用3.7KW變頻器帶2.5KW同步電機的做法，留有了較大的余量。
（3） 在牽引部分，牽引機對變頻器的要求較高，它要求一臺變頻器帶8臺同步電機，而且，在工藝上還有其特殊的要求，就是在啟動的時候，變頻器只帶第一臺電機啟動，在啟動完成到達恒速運行后，逐一將其余七臺電機的接觸器合上，而在停機是正好相反。這樣，從第二臺電機開始，在電機的接觸器合上時，都會對變頻器產生較大的一個沖擊，因此，在選型時，留的余量很大，8臺3.13KW的永磁同步電機，選擇了45KW的變頻器。
3、后紡部分的變頻調速系統
3.1后紡牽伸部分的生產工藝流程
在前紡紡絲部分，生產完成后，所形成的絲束疊放在盛絲桶中，這種絲是未牽伸的絲，無法直接使用，尚需要進行進一步的處理。后紡部分牽伸就是對放在盛絲桶中的未牽伸絲進行再度的牽伸的，在后紡部分，需要經過熱牽伸（牽伸比例3.2～3.6倍）、卷曲、熱定型、切斷、打包等工藝，做為滌綸短纖維成品出廠。
后紡牽伸部分的工藝流程圖如下圖所示：
圖3 后紡牽伸生產工藝流程圖
圖中可以看出，在后紡部分，原絲主要經過三道牽伸，將絲的長度均勻拉伸到原來的3.2～3.6倍，并可以根據對產品的要求，在這三道牽伸里面對拉伸比例作一定的調整。原絲經過拉伸后，進入到卷曲工藝，主要是增加絲的彈性，然后烘干，切斷成一定長度的短纖維，即可出廠。
3.2后紡牽伸部分對變頻調速的基本要求
由于后紡部分是滌綸短纖維的重要生產環節，其控制的好壞，直接影響到生產出來的短纖維的質量的好壞。在后紡部分，對變頻調速系統，有以下基本要求：
（1） 必須嚴格保證各個環節之間的牽伸比，也就是要保證各個環節的速度的比例恒定，張力恒定。要做到這一點，在后紡部分的三道牽伸環節，必須聯合起來控制，保證三道牽伸之間的一個固定的關系。
（2） 在對短纖拉伸的過程中，由于短纖是有彈性的，那么肯定存在部分的環節電機處于制動狀態，這樣，在系統考慮時，必須要將處于制動狀態的電機發出的電能消耗掉。
（3） 短纖的生產，對速度的精度要求較高，而后紡三道牽伸都為大功率的電機，采用異步電機時，必須使用轉速閉環控制，保證速度控制的精度、變頻器的轉矩性能。
（4） 為了方便生產管理，需將各種控制信號集中到一個控制臺，進行集中調節和控制。
3.3后紡部分的變頻調速系統
3.3.1后紡變頻器系統配置
后紡部分的變頻器的系統配置情況如下圖所示：
圖4 后紡變頻器系統配置
在整個生產流程當中，核心部分在一、二、三牽，它關系到絲的粗細，質量的好壞。而二牽——牽伸一為主要牽伸部分，其牽伸比在3倍左右（線速度比值），三牽——牽伸二為第二牽伸部分，牽伸比為1.2左右。因為線速度速比的關系，使得一牽在正常運行時始終處于制動狀態，而二牽也是大部分時間也處于制動狀態。這樣，一牽和二牽在生產過程中，將產生大量的能量，采用傳統的能耗制動的方法，將產生大量的能源的浪費。鑒于這一點，在本文中，我們提出了一種新的解決方案——采用共直流母線技術，這一新的技術，充分地利用了因制動而發出的電能。
在系統中，我們充分利用了變頻器的特性，將一牽和卷曲的變頻器共用母線1，二牽和三牽共用母線2，導絲和疊絲的變頻器將不接電源而直接接于母線1上面。分成兩條母線并聯，進行發電－電動結合，提高了系統的可靠性，同時還能保持共直流母線的優越性。
按照以上思路，后紡部分牽伸段的變頻器線路圖如下：
圖5 牽伸部分線路圖
共母線的四臺變頻器都通過接觸器和熔斷器后，將自己的母線接到共用母線上面去，接觸器的通斷由變頻器的PA－PC輸出READY信號控制，針對共母線方案，在變頻器的功能碼當中還增加了一個功能FA.16（READY延時輸出），在調試時根據變頻器的功率的大小，設置不同的延時輸出時間，保證先把功率大的變頻器接到母線上面。每臺共母線變頻器的接線如圖四所示，頻率由總線給定，運行命令由端子給定。
圖6 牽伸變頻器接線圖
這樣，從工藝上考慮，55KW發出電可以供應30KW/5.5KW/7.5KW使用，而90KW發出的電可以供應110KW使用，節約了大量的能量。
在此方案中，通過對后紡所用的TD3000變頻器進行有效的組合，采取共直流母線技術，節約了大量的能量，極大的降低了生產成本。采用通訊控制后，很方便的形成了整個系統的速度的閉環，有效的保證了各工藝段的同步過程，而變頻器采用閉環矢量，提高了速度的精度。這種方案低的推出，對化纖生產將產生很大的影響。
3.3.2PROFIBUS總線系統
在后紡部分，采用了PROFIBUS總線控制系統，分為三個部分：變頻器調速系統、上位機、人機界面。在整個系統中，變頻器的速度給定、啟動命令、速度的監控的都通過PLC實現，同時在生產線的旁邊，設有一個人機界面，與PLC進行總線通訊,在人機界面上，可以進行各個環節的速度的設定、牽伸比的設定、啟動、停車、生產線的監控等。
3.3.3生產線整線速度閉環系統
在整個后紡生產中，各個牽伸的速度的大小，將直接影響到纖維絲的質量的好壞。影響纖維絲質量好壞主要表現在兩個方面：
（1） 單臺變頻器的速度的精度；
（2） 各牽伸之間的速度的關系，也就是要保證張力恒定；
在單臺變頻器上，我們選擇了速度精度很高的TD3000系列矢量型變頻器，并采取了閉環矢量控制，在每臺牽伸的變頻器上，增加了旋轉編碼器，控制精度達到了0.05%。
考慮到各個牽伸之間的關系，各個牽伸之間的速度必須進行嚴格的控制，在任何時候，要保證各個牽伸之間的速度的比值是一個恒定值。因此，我們在單臺閉環矢量的基礎上，增加了整條生產線的速度閉環控制。因在后紡部分用到了PROFIBUS總線控制，這樣，就在上位機中，對整車的速度進行實時監控并計算，并選擇一個參考點，一旦計算出某個環節的變頻器的實際速度不符合要求，上位機立即給出頻率修改指令，調整這一臺變頻器的速度，保證整線的速度之間的比例關系恒定。
4、調試過程
在前紡、后紡的變頻調速系統中，因后紡用到的閉環矢量控制，又有新的技術共直流母線技術，因而在調試過程中主要集中在后紡這一部分。
在這一階段的調試中，首先要確保共直流母線的可靠性，設置變頻器開環矢量運行，進行電機參數辨識，調試通訊正常。
觀察制動單元的工作情況，在整個過程中，制動單元都沒有投入工作，監控直流母線的電壓，兩條母線的電壓都在520V左右，處于制動狀態的變頻器發出的電基本被消耗掉。事實證明，共母線的應用方案，在這種既有發電又有電動的系統當中使用，效果是非常明顯的。
整個工藝過程，存在絲的拉伸，要嚴格保證各工藝段的同步，才能保證絲的質量。同步過程的調試是，首先確定一臺變頻器的速度做為整條生產線的主給定，然后PLC通過通訊讀取各變頻器的實際運行頻率，根據相互之間設定的牽伸比的關系，進行實時計算，做為其他變頻器的設定頻率。按照這種方案，實際上是由PLC通過軟件對整條生產線做了一個速度的閉環。變頻器按照牽伸比和減速比設置各自的加減速時間，這樣處理后，在啟動和停車時，都有了很好的同步效果。
因為滌綸絲經過拉伸，在停車時，有收縮現象，表現在變頻器的運行頻率降到0，運行命令撤除后，滌綸絲有很大的收縮，觀察二牽和三牽之間的情況，在每次停車后，都會收縮1米多。由于每臺電機都是有抱閘的，在抱閘動作的時間上面，要和變頻器配合，抱閘動作早，則變頻器過流，抱閘動作晚，又會出現倒拉。經過多次的調試，由系統讀取變頻器的運行頻率，當小于2HZ時，抱閘就直接動作，這樣就避免了停車時的倒拉現象。
5、結束語
引進艾默生公司變頻器的滌綸短纖2萬噸/年生產線，自投入生產一年多以來，一致穩定運行，說明了艾默生TD3000變頻器共直流母線調速技術是可靠的，通過利用這一新技術，節約了大量的電能，減少了日常的維護量，而且，使用這一技術后，每年因檢修等而停機的情況也大大減少，效果非常的顯著。
近兩年，隨著化纖行業的迅速增長，不斷地有新系統投入設計、生產，由于共直流母線的優越性，將在這些新上的線中得到廣泛的應用。
作者信息：
吳建新 艾默生工業自動化（中國）
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號