中船重工718所 馬洪
1、引言
卷取是一種常見的控制系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于造紙、印刷、染織等生產(chǎn)過程中的后續(xù)工作，以制成半成品或成品卷筒物。卷取的方式常見的有2種:摩擦卷取和中心卷取。前者對機(jī)械的要求復(fù)雜，而且卷取的效果受摩擦輥的影響很大，包括物料的光澤度、端面情況、松緊度等都會在卷取工藝中變差。后者在機(jī)械程度上很簡單，卷取時只受到自重的影響，卷取的效果自然好許多，然而長期以來中心卷取的控制系統(tǒng)只能在直流控制或磁粉控制二者中進(jìn)行選擇，控制的成本很難降低。如何降低收卷系統(tǒng)的控制成本呢？很多人都會想到交流變頻器，的確交流變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電以及在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的廣泛適用性，而被公認(rèn)為是一種最有前途的調(diào)速方式。直流調(diào)速系統(tǒng)在電機(jī)傳動的發(fā)展史上占有重要的地位，但由于直流電機(jī)存在維護(hù)難、抗環(huán)境能力差等原因，到了目前已嚴(yán)重制約了設(shè)備整機(jī)的性能價格比。而變頻調(diào)速技術(shù)能最大程度上發(fā)揮了交流電機(jī)本身固有的優(yōu)點(diǎn)(結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠、動態(tài)響應(yīng)好等)，再加上變頻調(diào)速理論業(yè)已形成一門相對獨(dú)立的學(xué)科，變頻調(diào)速技術(shù)的全面應(yīng)用時代已經(jīng)到來。
2、分紗落筒機(jī)中心放卷的變頻控制
分紗落筒機(jī)是針織牛仔、牛仔面料或牛仔繡花生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備。白色紗線經(jīng)過靛藍(lán)染色，形成的束狀紗線，經(jīng)過分紗整經(jīng)機(jī)整經(jīng)，退繞在7—8個軸盤上，每盤上形成片狀40-50根的紗線，分紗落筒機(jī)就是將每盤上形成片狀40-50根的紗線，以放卷形式單根地均勻地卷繞成40-50個筒子紗。因?yàn)橛幸韵聨讉€原因：1紗線張力非常小，由其是單根紗線張力。2退繞軸盤在滿軸時半徑很大，大約在800mm-1000mm。3退繞軸盤加上紗線的重量很大，它動態(tài)慣性和靜態(tài)慣性較大。所以在中心放卷的過程中，隨著卷徑的不斷減小，放卷電機(jī)的速度必須不斷增大，同時又要保證的紗線張力相對平穩(wěn)，由其是加減速的過程中，以防止紗線的纏繞或繃斷。對于放卷系統(tǒng)而言，進(jìn)行張力控制是核心技術(shù)，也是變頻調(diào)速的難點(diǎn)。目前，在中心卷取中最常用的是以下2種控制方式:
(1)、速度控制卷取(SPW)，用PID通過測力傳感器的張力反饋，或調(diào)節(jié)輥的位置反饋，來修正速度給定;
(2)、電流控制卷取(CPW)，用PID調(diào)節(jié)張力給定，這一類型的控制一般是開環(huán)的。
對如此復(fù)雜的張力控制系統(tǒng)，變頻技術(shù)必須能克服以下4個技術(shù)問題:
(1)、將復(fù)雜的交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡單化;
(2)、考慮到張力反饋信號的延后和超調(diào);
(3)、將卷繞張力控制過程的動態(tài)參數(shù)描述成時變函數(shù);
(4)、保證張力或轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的抗波動能力高和即時調(diào)節(jié)性好。
通常情況下，具有張力控制的變頻控制系統(tǒng)，是建立在對變頻器、電機(jī)和張力對象的數(shù)學(xué)模型研究的基礎(chǔ)上，它包括Ud/Id之間的傳遞函數(shù)、Id/M之間的傳遞函數(shù)、轉(zhuǎn)矩M～轉(zhuǎn)速n之間的傳遞函數(shù)、控制電壓Uk～變頻器輸出電壓Ud之間的傳遞函數(shù)、物料張力的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。在一般情況下，張力專用的變頻器由直徑、轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償和速度計(jì)算等模塊組成。
3、TD3300變頻器的收放卷控制功能
TD3300張力控制專用變頻器是艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司的最新產(chǎn)品，它具有TD3000矢量變頻器的所有高性能，同時又可實(shí)現(xiàn)張力閉環(huán)控制和張力開環(huán)控制，以滿足各種卷取和放卷要求。
A：(1)各種卷徑的計(jì)算，包括線速度計(jì)算、繞圈計(jì)算、模擬設(shè)定、上位機(jī)給定等;(2)卷徑模擬輸出，實(shí)現(xiàn)人機(jī)友好交互功能;(3)多種線速度測量方式，包括脈沖輸入、模擬輸入、數(shù)字輸入等;(4)實(shí)現(xiàn)張力錐度的設(shè)定;(5)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)墓δ?，如彎曲力矩補(bǔ)償、靜態(tài)力矩補(bǔ)償、慣性力矩補(bǔ)償?shù)?(6)具有自動換卷邏輯功能，實(shí)現(xiàn)在線換卷功能。
B：TD3300張力控制變頻器的4種張力控制方式
(1)張力閉環(huán)控制(需要張力傳感器、增加成本、控制精度最高);
(2)間接張力控制一(需要卷徑傳感器、增加成本、控制精度較高);
(3)間接張力控制二(成本較低、控制精度較高);
(4)間接張力控制三(成本較低、控制精度差)。
此四種方案的配置主要是考慮系統(tǒng)的張力控制精度要求、系統(tǒng)的成本要求等，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況決定采用哪種張力控制方式。
C：4種張力控制原理和應(yīng)用
(1)、張力閉環(huán)控制
對于張力控制精度要求較高的場合，如軋卷染色機(jī)，它需要通過張力檢測輥的輸出張力信號來構(gòu)成張力閉環(huán)控制，對于變頻器來說采用速度控制方案和PID閉環(huán)控制。
(2)、間接張力控制一 它通過卷徑傳感器測量的卷徑模擬信號進(jìn)入變頻器的模擬輸入口，而變頻器則根據(jù)測量的卷徑進(jìn)行張力控制。這里，卷徑是通過測量而不是通過計(jì)算而得，因此張力控制的精度相對較高。分紗制筒機(jī)就采用這種方式。
(3)、間接張力控制二 在線速度可以檢測的場合，可以采用此法，通過檢測到的線速度及電機(jī)角速度計(jì)算卷徑，從而控制張力。通常應(yīng)用在如干式復(fù)合機(jī)、拉幅定型機(jī)、漿紗機(jī)等收卷系統(tǒng)中。
(4)、間接張力控制三
當(dāng)對張力的控制精度要求不高，卷繞材料的厚度已知且變化不頻繁的情況下，可以采用厚度累積法計(jì)算卷徑，實(shí)現(xiàn)間接張力控制。
4、系統(tǒng)方案介紹
本系統(tǒng)中選用了經(jīng)濟(jì)而實(shí)用的間接張力控制一：即張力閉環(huán)控制方案1（速度模式）（F3.06=1），通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到張力恒定。采用此模式。同步匹配頻率指令的計(jì)算方程式：Ｆ＝(v×p×i)／(π×D) 。
首先由紗線的線速度和紗軸的當(dāng)前卷徑實(shí)時計(jì)算出同步匹配頻率指令，然后通過張力檢測裝置反饋的張力信號（F7.02反饋量輸入通道選擇），以張力設(shè)定值（F8.01=0 數(shù)字設(shè)定）構(gòu)成PID閉環(huán)，調(diào)整變頻器的頻率指令。紗線線速度由前一級線速度檢測模塊獲得，即送紗輥電機(jī)的線速度，通過AI1口進(jìn)入變頻器TD3300，卷徑應(yīng)選用外部卷徑傳感器，卷徑信號通過模擬輸入口AI2輸入，模擬輸入對應(yīng)0~最大卷徑（F8.09）。在此方案中，保證比較準(zhǔn)確的同步匹配頻率指令可以減少PID調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)量，使系統(tǒng)更穩(wěn)定，也就是線速度的檢測的正確性比較重要。
由于我們對TD3300張力控制專用的矢量型變頻器的深刻了解和認(rèn)識，結(jié)合我們在紡織專業(yè)上的豐富經(jīng)驗(yàn),使分紗落筒機(jī)放卷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常成功，車速可達(dá)350-450m/min,而且系統(tǒng)非常穩(wěn)定可靠。目前已為廠家生產(chǎn)二十余套，該設(shè)備已成為廠家生產(chǎn)針織牛仔紗，靛藍(lán)關(guān)鍵繡花紗的關(guān)鍵設(shè)備，該設(shè)備為廠家創(chuàng)造了巨大的產(chǎn)品附加值。非常值得在紡織行業(yè)推廣應(yīng)用。
系統(tǒng)應(yīng)用圖如下所示：
（轉(zhuǎn)載）
