引 言
拉絲機是金屬線材生產的重要設備，主要是將金屬線材拉拔成各種規(guī)格的細絲。從產品規(guī)格上可分為：大拉機、中拉機、小拉機以及細微拉。從機械結構上可分為：滑輪式、活套式、水箱式和直進式。在電線電纜行業(yè)，雙變頻細微拉應用十分廣泛。相對而言，其要求的控制性能也較低，而對大部分鋼絲生產企業(yè)，針對材料特性，其精度要求和拉拔穩(wěn)定度高，因此使用直進式拉絲機較多。特別是焊材生產企業(yè)，氣體保護焊絲、埋弧焊絲、鋁焊絲、氬弧焊絲、不銹鋼焊絲、高強度焊絲以及最先進的藥芯焊絲，其對拉絲機的電氣控制要求很高。變頻器作為主要的電氣控制部分，它的性能，特別是張力控制的精度直接影響到產品的質量和產量。
深圳正弦電氣作為一家專業(yè)的變頻器制造商，所生產的拉絲機專用變頻器，以其卓越的性能贏得了電線電纜企業(yè)和焊絲生產企業(yè)的認可和好評。
一、拉絲機工作原理
直進式拉絲機是有多個拉拔頭組成的小型的連續(xù)生產設備，通過逐級拉拔，可以一次性地把鋼絲冷拉到所需的規(guī)格，所以工作效率比較高。但是，由于通過每一級的拉拔后，鋼絲的線徑發(fā)生了變化，所以每個拉拔頭工作線速度也應有變化。
根據拉模配置的不同，各個拉拔頭的拉拔速度也要變化。拉拔速度的基準是每個時刻通過拉模的鋼絲的秒流量體積不變，即使以下公式成立：
πR2×V1= πr2×V2
其中 R：進線鋼絲的直徑
r： 出線鋼絲的直徑
V1：進線鋼絲的線速度
V2：出線鋼絲的線速度
直進式拉絲機的各個拉拔頭的工作速度就是基于以上的公式，保證各個拉拔頭同步運行。但是，以上的說明是基于理想狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)工作過程，由于機械傳動的誤差以及機械傳動的間隙，還有在起動、加速、減速、停止等動態(tài)的工作過程中，各個拉拔頭就無法保持同步，所以，我們在直進式拉絲機上采用了位移傳感器（如圖1所示），動態(tài)測量各個拉拔頭間的鋼絲的張力，再把張力轉換成標準信號(0/4～20mA或0～10V)，用這個標準信號反饋給調速變頻器，變頻器用這個信號作閉環(huán)PID過程控制，在主速度上疊加上PID計算的調整量，保持各個張力檢測點的張力恒定，也就保證了直進式拉絲機工作在同步恒張力的工作狀態(tài)。
二、系統(tǒng)介紹
該套設備的作用是對藥芯焊絲的二次精拉。藥芯焊絲是用鋼帶卷曲為空心的鋼絲，卷曲的過程中，將特制的藥粉填充空心處，經過拉拔后形成2.80mm左右的一次成品。再經過二次拉拔形成1.20mm左右的成品（依需求而定）。我們調試的時候模具的配比如表1。
根據客戶要求，我們設計了11聯(lián)直進式拉絲機，該系統(tǒng)采用深圳正弦電氣新一代產品——完全電流矢量張力控制專用變頻器SINE309和拉絲機拉絲專用變頻器SINE311，系統(tǒng)配置如圖1所示，人機界面+PLC+正弦變頻器。
1. 人機界面
良好的人機接口，使操作簡潔方便，各種參數(shù)一目了然。
在界面上設計了多種功能功能——系統(tǒng)啟動、停車、跳卷、線速度設定、收卷點動、斷線保護有效、防護罩有效等，方便操作人員對設備進行操作和監(jiān)控。
2. PLC
PLC在整個系統(tǒng)中起著重要的作用——①得到人機的啟動信號后，PLC輸出使變頻器RUN與COM端子閉合，變頻器運行。②根據觸摸屏上設定的線速度，PLC的D/A模塊輸出0~10V的主速度信號，并按照30秒的加減速線性變化，如下圖2所示。③低速穿線時，需要前聯(lián)動、正轉點動、反轉點動和后聯(lián)動。
前聯(lián)動：我們以放線工字輪為最前，假如我們在4#塔輪處腳踏前聯(lián)動開關，應該是1#~4#機聯(lián)動，即PLC使1#~4#變頻器同時走點動頻率，以此類推。
正轉點動：當某臺塔輪上線材松動時，需要單獨點動該臺，其他塔輪不動作。
反轉點動：極少用到可以不設計。
后聯(lián)動：仍以放線工字輪為參照——最前，假如我們在4#塔輪處腳踏后聯(lián)動開關，應該是4#~11#機聯(lián)動。
3. 變頻器
機臺上有11個塔輪，其中1#~10#采用正弦SINE309拉絲機張力控制專用變頻器，分別對應位移傳感器。位移傳感器反饋給變頻器4~20mA的電流信號，變頻器以此保證線材的恒張力。11#采用正弦SINE311拉絲機拉絲專用變頻器，沒有張力機構。12#同樣采用正弦SINE309變頻器控制收線輪，與1#~10#不同的是，收線工字輪的卷徑在不斷的變化，而且還要保持線材恒張力，以免張力過大斷線或太松亂線。
在前面提到，我們拉拔的是藥芯焊絲，其材質較實心鋼絲柔軟很多。06年我們給客戶安裝的6套八聯(lián)和3套七聯(lián)直進式拉絲機，加工的都是高碳鋼絲或不銹鋼絲，材質堅硬，即使在調試過程中汽缸擺臂有較大晃動，也可能不會斷線。藥芯焊絲的硬度大約只有高碳鋼或不銹鋼絲的一半，在生產過程中就要求張力控制得很好，即汽缸擺臂幾乎不晃動，才能保證生產的高效。也就是要求變頻器有很好的張力控制能力。
三、正弦變頻器特點
● 正弦變頻器采用磁場定向電流閉環(huán)矢量控制，電機變量完全解耦。
● 采用美國TI公司最新款高性能32bit電機控制專用DSP，高速、準確完成復雜的控制算法，國內首家產品化應用。
● 調速精度：0.01Hz
● 調速范圍：0.01~600.00Hz
● 沖擊負載：180%電機額定轉速，2秒內不跳脫。
● 低頻轉矩：0.00 Hz，150%額定轉矩輸出。180%額定轉矩加速和減速。
SINE309系列拉絲機張力控制專用變頻器
(1) 型拉絲機收卷專用變頻器, 不用設定變頻器參數(shù)，出廠值即最佳參數(shù)，只需要按說明書正確接線，就可以開機正常工作；
(2) 所有動態(tài)參數(shù)：卷徑、傳動比、線徑，空盤、半盤、滿盤，低速、中速、高速，張力、斷線全部由變頻器內部自動處理；
(3) 不需要PID板，只需要外接操作開關、少量中間繼電器、指示燈和顯示儀表；
(4) 系統(tǒng)更簡潔、成本更低、維護更方便，同時，控制效果更佳，設備運行更穩(wěn)定；
(5) 張力平衡桿或位移傳感器在下限位、中間位或上限位，都可開機運行。自動跟蹤拉絲線速度，張力平衡桿或位移傳感器基本維持在中點位置；
(6) 變頻器與電機同功率配匹使用，不需要放大變頻器的容量；
(7) 適用于雙變頻、多變頻拉絲或收卷的張力控制應用場合，更換拉絲模具或機臺數(shù)時不需要調整任何參數(shù)。
SINE011系列拉絲機拉絲專用變頻器
(1) 傻瓜型拉絲機拉絲專用變頻器, 不用設定變頻器參數(shù)，出廠值即最佳參數(shù)，只需要按說明書正確接線，就可以開機正常工作。低速穿模、高速拉絲相互獨立；
（2）無轉速死區(qū)，低速1Hz額定轉矩平穩(wěn)輸出，穿模、試機沒有材料損耗；
（3）根據拉絲線材實際負載變化，自動調節(jié)輸出頻率，維持線速度恒定；
（4）不分材質，可拉鋼絲、鐵絲、銅絲、鋁絲及其它材料；
（5）變頻器與電機同功率匹配使用，不需要放大變頻器的容量。
四、安裝調試
表2 1#～10#SINE309參數(shù)設置
功能代碼 代碼名稱 出廠值 設置
F0.02 驅動方式 2：無PG矢量控制0 2：無PG矢量控制0
F0.04 啟停控制選擇 0：鍵盤 1：端子
F0.08 速度給定方式 000 002：過程PID輸入方式
F0.14 點動運行頻率 5.00Hz 2.50Hz
F0.16 加速時間1 15.00S 2.00S
F0.17 減速時間1 15.00S 2.00S
F0.18 點動加速時間 15.00S 8.00S
F0.19 點動減速時間 15.00S 8.00S
F0.25 最大頻率 50.00Hz 55.00Hz
F0.26 上限頻率 50.00Hz 55.00Hz
F2.04 VS濾波時間 0.30S 0.00S
F2.06 VF濾波時間 0.30S 0.00S
F5.04 功能輸入X3 3：多段速度端子1 8：自由停車
F5.05 功能輸入X4 4：多段速度端子2 10：正轉點動FJOG
F7.08 PID調節(jié)模式 00000 00011：PID調節(jié)器輸出+前饋輸出
F7.12 前饋輸入增益 40.00 100.00
F7.13 PID輸出增益 100.00 30.00
F7.14 比例增益GP 0.40 0.20
F7.15 積分時間Gti 10.000 10.000
F7.16 微分時間GTd 0.000 0.000
F7.19 PID輸出死區(qū)時間 5.00 0.00
F7.20 PID軟啟動時間 5.00 0.20
F8.07 電流比例增益 0.40 0.00
F8.08 電流積分時間 10.00 0.00
FA.17 滑差補償增益 100.00 0.00
FB.00 拉絲機控制方式 0 10：0～前饋增益上限
FB.02 軟啟動前饋間隔 1000 800
FB.03 中點前饋間隔 800 600
FB.04 中速前饋間隔 200 150
FB.05 快速前饋間隔 100 80
FB.08 中點前饋范圍2 20.00 25.00
FB.09 中速前饋范圍1 25.00 30.00
FB.10 中速前饋范圍2 30.00 35.00
FB.11 快速前饋范圍1 35.00 40.00
說明：
（1）F0.02=2 無PG矢量控制0——無PG開環(huán)矢量控制
電動機的轉速信息只是實時估算，而不進行反饋控制，電流全程實時閉環(huán)控制，，0.50Hz輸出達150%的額定力矩，自動跟蹤負載的變化并自動限定輸出電流，使其不超過允許的最大電流值。即使負載突變、快速加減速，變頻器也不發(fā)生故障，實現(xiàn)通用變頻器配置的高性能、高可靠性。
（2）F0.08=002 過程PID輸入方式——PID調節(jié)器有效
（3）F7.08=10 PID調節(jié)器輸出+前饋輸出
即GFK*VS+K2*UPID 。其中K1為F7.12前饋輸入增益GFK，K2為F7.13 PID輸出增益，VS為主速度信號，由PLC的D/A模塊提供，UPID 為PID的調節(jié)信號。此方式特別適合張力閉環(huán)PID控制，取消外部PID控制器。K1隨收線卷卷徑自動調節(jié)，直至收放設備的最佳實時傳動比。
（4）FB.00=10 0～前饋增益上限
如上所說，GFK隨收線卷卷徑自動調節(jié)，直至收放設備的最佳實時傳動比。達到最佳狀態(tài)時GFK的值確定后，可以將此參數(shù)十位改為0前饋增益不變化。
調試
(1) 變送器模式：位移傳感器感應面接近金屬時，反饋的模擬量信號就越弱，反之便越強。調試時，要根據凸輪曲面與傳感器感應面的變化規(guī)律，選擇變送器模式。
例如本案例中，當汽缸擺臂在下限位時，凸輪曲面與傳感器感應面離得最近，即反饋到變頻器的信號最弱約0.05V，此時說明1#機轉快了，應該放慢速度，這樣PID就是反作用。反之則為正作用。
(2) 由于機臺比較大，所有11臺11KW電機等都與機臺直接接觸，高速生產過程中，難免有震動。再加上生產過程中由于線材原因難免斷線，汽缸擺臂的碰撞可能會使凸輪松動或傳感器位置偏移，除了安裝時將其緊固外，過一段時間要檢查一下傳感器反饋給變頻器的信號是否在0~10V內，最好不要存在死區(qū)或死區(qū)范圍不能太大。否則直接影響變頻器對線材張力做出正確判斷。具體方法如圖4。
將凸輪和傳感器緊固后，用手均勻推動汽缸擺臂，使其在上下限位置平滑移動，觀察SINE309變頻器監(jiān)視功能代碼C25——PID運算反饋，看其是否在0.000~10.000內成線性變化，不能有跳躍或死區(qū)。
(3) 張力機的調試
所謂張力機就是成品收卷部分，由于客戶以前的老設備都采用的是力矩電機、直流電機或磁粉離合器收卷，習慣上把這部分叫做張力機�？蛻粼浽囘^采用變頻收卷，但效果都不很滿意。當?shù)弥覀儾捎米冾l收線時，客戶還有些擔心，但調試結果使客戶很滿意。
12#收卷變頻器同樣采用正弦SINE309變頻器，唯一不同的是，1#~10#變頻器塔輪上的卷徑沒有變化，而12#則所生產的進行，工字輪卷徑不斷增大。SINE309變頻器通過實時卷徑自動計算，調節(jié)轉速，保持線速度一定。PID自動調節(jié)使張力輪始終處在中間位置，保持恒張力。張力機構采用張力輪的形式，如圖5所示。
(4) PID閉環(huán)控制的參數(shù)調整
設定變頻器的過程PID閉環(huán)控制方式有效，通過反饋信號觀測系統(tǒng)的輸出，根據輸出波形調整PID控制器的參數(shù)，一般采用如下的規(guī)律調節(jié)：
● 在輸出不振蕩時，增大比例增益GP
● 在輸出不振蕩時，減小積分時間常數(shù)GTi
● 在輸出不振蕩時，增大微分時間常數(shù)GTd
實際調節(jié)時，可按如下步驟調整PID參數(shù)：
抑制輸出超調：縮短微分時間常數(shù)Td，延長積分時間常數(shù)Ti。如圖6所示。
抑制輸出周期振蕩：減小微分時間常數(shù)Td或使其為0，減小比例增益P。如圖7所示。
五、總結
德州聚力焊材從06年至今已經先后使用正弦變頻器配套3套6聯(lián)滑輪式、9套8聯(lián)直進式拉絲機和1套11聯(lián)直進式拉絲機，使用一年多，生產效率大幅提高，且故障率低，維護方便，客戶非常滿意。
