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案例頻道

變頻器在漿紗機(jī)卷繞張力控制中的閉環(huán)應(yīng)用
  • 企業(yè):     領(lǐng)域:工業(yè)安全     行業(yè):機(jī)場    
  • 點(diǎn)擊數(shù):2400     發(fā)布時間:2008-01-11 14:10:15
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                                                      艾默生工業(yè)自動化(中國)

1   前言

    某棉紡廠使用1999年鄭紡機(jī)開發(fā)生產(chǎn)的ZGA-203雙漿槽漿紗機(jī),可對1600支頭的低支棉到9000支頭的高支棉、張力從800N到3000N的多種紗線進(jìn)行漿紗,該設(shè)備屬當(dāng)時國產(chǎn)同類設(shè)備中的先進(jìn)產(chǎn)品。

    該設(shè)備原傳動方案采用的是單變頻+機(jī)械無級調(diào)速,即通過臺達(dá)VDF-A變頻器(18.5KW)調(diào)節(jié)主牽引電機(jī)(15KW)的轉(zhuǎn)速,主牽引電機(jī)再通過4個機(jī)械無級調(diào)速器(可人工微調(diào)機(jī)械變比)到其他各自傳動點(diǎn),形成速度鏈,以保持各區(qū)間張力。而收卷部分則由主電機(jī)帶動氣動機(jī)械無級調(diào)速器,通過人工調(diào)節(jié)氣壓來調(diào)節(jié)卷取張力,并自動穩(wěn)定收卷張力。



圖1  漿紗機(jī)簡圖

    但該設(shè)備在使用一段時間后陸續(xù)出現(xiàn)問題,主要是收卷部分的氣動機(jī)械無級調(diào)速器極易磨損,引起收卷張力不穩(wěn)定,要么紗線張力過小導(dǎo)致卷曲,要么紗線張力過大導(dǎo)致斷裂,同時該部分的維修費(fèi)時又費(fèi)力,嚴(yán)重影響了后續(xù)織布的產(chǎn)量和質(zhì)量。

    艾默生公司推出的TD3300系列張力控制專用變頻器,內(nèi)部具有卷徑計算模塊,能夠自動計算卷徑變化,可獨(dú)立構(gòu)成張力控制系統(tǒng),完成開環(huán)、閉環(huán)恒張力控制;同時該系列變頻器具有張力錐度控制功能,可保證收卷后各層形狀均勻,極大地提高了張力控制的精度和速度,提高了生產(chǎn)效率。該棉紡廠最終決定使用艾默生TD3300張力控制專用變頻器對漿紗機(jī)的收卷部分進(jìn)行改造。

2   控制方案

    2.1    控制要求

    ●   變比:  11.73                      

    ●   卷徑范圍:  110~780mm   

    ●   速度調(diào)節(jié)范圍:  3~60m/min           

    ●   張力調(diào)節(jié)范圍:  800~3000N

    收卷線速度保持與主線速度同步且可調(diào),在收卷恒速、調(diào)速及啟、停(收卷中途15KW主電機(jī)暫停,便于處理問題)過程中須保持收卷紗線的張力恒定。

    2.2    控制方案及電機(jī)選擇

    TD3300變頻器張力控制有張力開環(huán)轉(zhuǎn)矩模式、張力閉環(huán)速度模式和張力閉環(huán)轉(zhuǎn)矩模式三種控制模式。張力開環(huán)轉(zhuǎn)矩模式具有不需安裝張力傳感器,同時可以節(jié)約張力傳感器成本的優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于張力控制要求不高的場合。但要求電機(jī)的最小輸出轉(zhuǎn)矩最好控制在電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的10%以上。

    由于不同紗線產(chǎn)品要求控制的張力差別較大,在選擇電機(jī)時須按最大卷徑和最大張力給定值來計算電機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)矩指令公式T=F × D/2 × i 
T為變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩指令;F為張力設(shè)定指令;D 為卷筒的卷徑;I 為機(jī)械傳動比。
T=(3000 ×0.78)/(2 × 11.73)=100 N
另通過計算變頻器運(yùn)行頻率在0.3 Hz~67.2  Hz,收卷電機(jī)最好使用變頻電機(jī),以保證電機(jī)的安全使用。因此收卷電機(jī)選擇22KW四極變頻電機(jī)(額定轉(zhuǎn)矩140N),收卷變頻器選擇 TD3300-4T0220G。

    那么電機(jī)的最小輸出轉(zhuǎn)矩則按最小卷徑和最小張力給定值來計算:

    T=(800 ×0.11)/(2 × 11.73)=3.78 N

    如果選擇張力開環(huán)轉(zhuǎn)矩模式,那么要求電機(jī)的最小輸出轉(zhuǎn)矩只有電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩的2.7%( 3.78N/140N),遠(yuǎn)低于10%的要求,這樣在生產(chǎn)小張力紗線時,要保證小卷徑的收卷張力恒定是很困難的。也就是說在作張力控制時既要求張力恒定,又要求張力可調(diào)范圍大,使用張力開環(huán)轉(zhuǎn)矩模式是很難達(dá)到控制要求的。

    那么控制方案只能選擇張力閉環(huán)模式,張力閉環(huán)模式又分張力閉環(huán)速度模式和張力閉環(huán)轉(zhuǎn)矩模式。張力閉環(huán)速度模式雖對PID參數(shù)有一定的依賴性,但相對于張力閉環(huán)轉(zhuǎn)矩模式而言,調(diào)試要相對簡單,且完全能達(dá)到控制要求。因此本控制方案采用張力閉環(huán)速度模式,在收卷輥和壓紗輥之間增加張力傳感器(24VDC電源、4~20mA電流信號輸出)、張力輥和角度輥(如圖1所示)通過張力傳感器的信號反饋實(shí)現(xiàn)張力閉環(huán)控制,從而達(dá)到收卷張力恒定的目的。

    需要注意的是要保證在大卷徑、大張力、低速或零速時電機(jī)有足夠輸出轉(zhuǎn)矩,以防止電機(jī)在低速和零速時轉(zhuǎn)矩不夠,引起的收卷輥回車,TD3300應(yīng)設(shè)置為閉環(huán)矢量控制模式,提高電機(jī)低頻輸出轉(zhuǎn)矩。因此需在電機(jī)上加裝旋轉(zhuǎn)編碼器。



圖2  漿紗機(jī)的張力控制原理圖

3   收卷變頻器的調(diào)試步驟

    3.1   完成變頻器電機(jī)參數(shù)自辨識

    在鍵盤控制模式下輸入電機(jī)銘牌參數(shù);

    設(shè)定F1.09=1,允許自動調(diào)諧;

    然后設(shè)定F1.10=1,啟動電機(jī)調(diào)諧,進(jìn)行調(diào)諧,得到電機(jī)參數(shù);

    調(diào)諧完成后,重點(diǎn)檢查變頻器辨識出的電機(jī)的空載電流,電機(jī)空載電流正常應(yīng)在電機(jī)額定電流的30%~50%范圍內(nèi)。F1.16為18.6A,在正常范圍內(nèi)。

    3.2   初步測試變頻器對電機(jī)的驅(qū)動能力和旋轉(zhuǎn)編碼器的接線

    旋轉(zhuǎn)編碼器:光洋1024線輸出,供電電壓24VDC,推挽輸出。

    TD3300變頻器應(yīng)在(FB編碼器功能項)設(shè)置編碼器的參數(shù)(FB.00=1024),在鍵盤控制模式測試變頻器對電機(jī)的驅(qū)動能力,重點(diǎn)觀測變頻器的輸出頻率的穩(wěn)定性和輸出電流的大小,注意監(jiān)視TD3300變頻器此時的輸出電流,若在空載的情況下,輸出電流偏大并且報過流故障,應(yīng)該是旋轉(zhuǎn)編碼器的接線有誤,更換接線或更改變頻器內(nèi)PG接線的方向設(shè)定(功能碼FB.01)。

    3.3   完成TD3300的信號連接

    連接VDF-A變頻器模擬輸出口AFM、ACM(設(shè)模擬輸出量對應(yīng)變頻器的輸出頻率)到TD3300變頻器模擬輸入端AI3、GND,完成相關(guān)參數(shù)(F6.02=0,F6.05=1.0)設(shè)置,作為TD3300的速度同步控制信號。

    連接VDF-A變頻器繼電器輸出端子RA、RC到TD3300變頻器的FWD、COM端子,作為TD3300的運(yùn)行控制信號。

    連接張力傳感器(外接24V電源)的輸出信號到TD3300變頻器接口板AI2,并置V/I端口的跳線在I側(cè),完成相關(guān)參數(shù)( F6.01=4,F6.04=1.0)設(shè)置。

    3.4   設(shè)置TD3300變頻器的相關(guān)運(yùn)行參數(shù),初步帶載試運(yùn)行

    F0.02=1,  閉環(huán)矢量,如果設(shè)為開環(huán)矢量,有回車現(xiàn)象;

    F0.05=1,  端子控制;

    F0.07=110,最大頻率;

    F0.08=110,上限頻率;

    F0.10=0.01,加速時間;

    F0.11=0.01,減速時間;

    F1.00=11.73,設(shè)備廠家提供的收卷電機(jī)與收卷卷軸的轉(zhuǎn)速比;

    F3.06=1,閉環(huán)張力控制模式1;

    F5.00(控制模式)=2,三線模式;

    F5.03(多功能端子X1)=12,卷徑復(fù)位1指令;

    F5.03(多功能端子X2)=1,預(yù)驅(qū)動,在人工換卷伸頭時切換X2到ON,保持收卷線速度與主速度同步,防止意外;

    F5.03(多功能端子X3)=16,三線運(yùn)行控制,接原控制系統(tǒng)離合器松按鈕常閉;

    F6.02=4,4~20mA張力傳感器反饋電流;

    F7.02=1,反饋選擇AI2;

    F7.03=7.5,比例增益P1,多次調(diào)試后的最終值;

    F7.04=6.8,積分時間Ti1,多次調(diào)試后的最終值;

    F7.05=0.65,微分時間Td1,多次調(diào)試后的最終值;

    F7.06=11.0,比例增益P2,多次調(diào)試后的最終值;

    F7.07=99.99,積分時間Ti2,多次調(diào)試后的最終值;

    F7.08=0.25,微分時間Td2,多次調(diào)試后的最終值;

    PID參數(shù)調(diào)試是一個細(xì)致認(rèn)真的過程,須多次反復(fù)調(diào)試才能滿足要求。(注意:如未加卷徑計算功能,調(diào)試時需人工設(shè)定F8.16相對應(yīng)的當(dāng)前卷徑)

    兩套PID參數(shù)的最終值差異較大,主要是因為PID1用于提高低速時的快速跟蹤和響應(yīng),PID2用于保持高速時的運(yùn)行平穩(wěn)。

    F7.10=2,PID參數(shù)調(diào)整依據(jù) ,線速度; 

    最終把PID參數(shù)調(diào)整依據(jù) F7.10設(shè)為2,是因為線速度變化的范圍(3~60m/min, 30倍)相對于卷徑變化的范圍(110~780mm, 7倍)要大得多, 且收卷張力受速度變化的影響也要大些。

    F8.01=1,AI1設(shè)定;

    F8.03=5000,根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試情況修改,滿足張力設(shè)定電位器的調(diào)整要求;

    F8.06=1,   張力錐度系數(shù);

    F8.07=10,  根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試情況修改 ;

    F8.08=0,   初步設(shè)定卷徑不計算,保證初步測試時張力的穩(wěn)定;

    F8.09=780,設(shè)備廠家提供,建議比廠家提供的數(shù)值稍大一些;

    F8.10=110,設(shè)備廠家提供,空芯卷軸的直徑;

    F8.12=110,卷徑復(fù)位用,與F5.01(多功能端子X1)=12,卷徑復(fù)位1指令配合使用;

    3.5   加卷徑計算功能,帶載運(yùn)行

    F8.08=1,設(shè)定卷徑來源選擇線速度計算法,啟動卷徑計算模塊;

    FC.00=3,AI3設(shè)定,來自主牽引變頻器VDF-A的AFM(運(yùn)行頻率)口的輸出。

    FC.03=60m/min。

    FC.00*FC.03=當(dāng)前線速度V,變頻器根據(jù)公式D=(i*V)/(л*n) 自動計算當(dāng)前卷徑;

    FC.04=3 m/min,防止TD3300變頻器在速度較低時卷徑計算不準(zhǔn)導(dǎo)致變頻器輸出力矩的波動;當(dāng)TD3300變頻器運(yùn)行的線速度低于FC.04設(shè)定值時,卷徑計算功能停止,保持當(dāng)前卷徑值;當(dāng)TD3300變頻器運(yùn)行的線速度大于FC.04設(shè)定值時,卷徑計算功能重新使能。

    帶載測試,微調(diào)PID參數(shù),收卷過程張力平穩(wěn),達(dá)到控制要求。

4   總結(jié)

    在作張力控制時,如果既要求張力恒定,又要求張力可調(diào)范圍要大,最好采用張力閉環(huán)模式。

    本設(shè)備采用TD3300的變頻改造后,現(xiàn)場配置簡潔,工作穩(wěn)定,調(diào)試方便,實(shí)際的應(yīng)用效果非常理想?! ?BR>  
參考文獻(xiàn)

    [1]TD3300張力控制專用變頻器用戶手冊. 艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司. 

    [2]TD3000高性能矢量控制變頻器用戶手冊. 艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司.

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