臺(tái)達(dá)變頻器在紡織織帶盤帶機(jī)上的應(yīng)用方案
［摘要］：盤帶機(jī)是紡織織帶成品分卷設(shè)備，需要使用到收放卷控制。本文基于臺(tái)達(dá)變頻器在盤帶機(jī)上的應(yīng)用案例，論述盤帶機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試過程以及遇到的問題分析。
［關(guān)鍵詞］： 編碼器 電機(jī) pid 工控
1 引言
中國作為世界紡織大國，棉紗、棉布、呢絨、絲織品、化纖、服裝等產(chǎn)量均居世界第一位,服裝出口也多年來始終保持著世界第一位。紡織產(chǎn)業(yè)在中國占有舉足輕重的地位。紡織織帶是指以各種紗線為原料制成狹幅狀織物或管狀織物，其品種繁多，廣泛用于服飾、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍需、交通運(yùn)輸?shù)雀鳟a(chǎn)業(yè)部門。歐美等發(fā)達(dá)國家的織帶行業(yè)起步較早，已完全進(jìn)入成熟期，由于生產(chǎn)成本高等因素將織帶行業(yè)轉(zhuǎn)到發(fā)展中國家生產(chǎn)。目前中國是世界上最大的織帶生產(chǎn)企業(yè)，但是近年由于印度、越南等地?fù)碛械膭趧?dòng)成本優(yōu)勢(shì)正在成為中國紡織業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，通過提高以自動(dòng)化為核心的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力才能保持世界第一的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)。
2盤帶機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 盤帶機(jī)工藝
（1）工藝原理：紡織織帶盤帶機(jī)設(shè)備工藝目的是把大卷的帶材卷成長(zhǎng)度一定的小卷。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及收卷結(jié)構(gòu)如圖1所示
圖1盤帶機(jī)系統(tǒng)工藝與收卷結(jié)構(gòu)
（2）工藝指標(biāo)設(shè)計(jì)：帶材上的張力要恒定，從而保證卷曲材料的內(nèi)外卷曲張力恒定。每一個(gè)工序從空芯安裝到機(jī)器上到滿卷停車成品下線，需要卷曲長(zhǎng)度為15m的時(shí)間不大于12s，卷曲長(zhǎng)度為30m的時(shí)間不大于15s，包括變頻器啟動(dòng)停止時(shí)間以及機(jī)械動(dòng)作時(shí)間（從上空卷到滿卷產(chǎn)品完成）。經(jīng)過測(cè)量，機(jī)械動(dòng)作時(shí)間會(huì)占用6s左右，所以當(dāng)卷曲長(zhǎng)度15m時(shí)變頻器從啟動(dòng)到停止的時(shí)間不能大于6s，卷曲長(zhǎng)度為30m時(shí)變頻器從啟動(dòng)到停止的時(shí)間不能大于9s。由于用戶要求停止后定長(zhǎng)切割，在牽引輪上安裝有編碼器用來測(cè)量長(zhǎng)度，所以系統(tǒng)要精確停止。
2.2 收卷系統(tǒng)分析
收卷采用泡沫卷心，并且是通過夾板與卷心之間的摩擦力來進(jìn)行收卷，所以要求張力比較小。當(dāng)張力較大時(shí)，容易讓泡沫卷心變形，甚至粉碎。按照以圖2加減速時(shí)間相等收卷速度設(shè)計(jì)，則有：L=1/2*T*V，（L為長(zhǎng)度，T為時(shí)間，V為線速度）；經(jīng)計(jì)算：當(dāng)長(zhǎng)度15m，變頻器工作時(shí)間為6s時(shí)，帶材最高速度300m/min；當(dāng)長(zhǎng)度30m，變頻器工作時(shí)間為9s時(shí)，帶材最快速度400m/min。
π * D * n = V ，其中D為直徑，n為轉(zhuǎn)速，V為線速度；如果按照最小工藝卷徑D=38mm計(jì)算，當(dāng)線速度為300m/min時(shí)，變頻器運(yùn)行的頻率為84hz（2515rpm）；當(dāng)線速度為400m/min時(shí)，變頻器運(yùn)行的頻率為112hz（3352rpm）。
圖2 收卷速度分析
2.3自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
（1）方案的確定：此系統(tǒng)要求張力小響應(yīng)快。根據(jù)公式F=m*a，F為張力，m為質(zhì)量，a為加速度，如果要求張力小，則要求F??；當(dāng)F小時(shí)，要求a就小；如果要求響應(yīng)快，則要求a大；當(dāng)a大時(shí)，要求F就大。所以最終決定采用加張力擺桿，收卷工作在張力閉環(huán)狀態(tài)下。測(cè)量后擺桿的幅度為1VDC-8VDC。結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。變頻器接線如圖4所示。
圖3自動(dòng)化工藝結(jié)構(gòu)
圖4 變頻器接線圖
（2）速度曲線設(shè)計(jì)：為了滿足加減速時(shí)間，同時(shí)希望最高速度保持在一定范圍內(nèi)，所以最終決定將速度運(yùn)行曲線做適當(dāng)修改，除了加速過程和減速過程，還增加一個(gè)穩(wěn)速過程，速度圖形如圖5所示。
圖5速度曲線
如果按照以上曲線運(yùn)行，當(dāng)長(zhǎng)度30m，變頻器工作時(shí)間為9s時(shí)，將加速時(shí)間，穩(wěn)速時(shí)間以及減速時(shí)間都設(shè)定為3s，則理論上帶材最快速度只需要300m/min，最高線速度有所降低。
2.3 張力控制系統(tǒng)
（1）放卷：采用恒線速度運(yùn)行方式，當(dāng)前線速度由PLC通過通訊方式給定；放卷電機(jī)安裝有編碼器，卷徑通過厚度積分法來實(shí)現(xiàn)，需要設(shè)置材料的厚度；由于此系統(tǒng)配置HMI，材料厚度由客戶自行設(shè)定。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度由當(dāng)前線速度和當(dāng)前卷徑來計(jì)算。
（2）收卷：擺桿信號(hào)接入到收卷變頻器。為了實(shí)現(xiàn)恒張力控制，就必須保證收卷跟隨上放卷的線速度，即保證在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中使擺桿穩(wěn)定在某個(gè)位置。這就決定了需要收卷電機(jī)速度響應(yīng)而且在控制上能夠?qū)崿F(xiàn)擺桿的快速穩(wěn)定，特別是在加速過程和減速過程。為了提高電機(jī)的速度響應(yīng)，電機(jī)尾部增加編碼器，讓變頻器工作在閉環(huán)控制模式下；為了實(shí)現(xiàn)擺桿的快速穩(wěn)定，使用了變頻器內(nèi)部的卷徑計(jì)算模塊和擺桿PID模塊，卷徑計(jì)算通過厚度積分法來計(jì)算。
3 系統(tǒng)調(diào)試
3.1 放卷變頻器
由于放卷電機(jī)安裝有編碼器，所以讓變頻器工作在閉環(huán)模式下。PLC實(shí)現(xiàn)卷徑計(jì)算，設(shè)置材料的實(shí)際厚度以及線速度來源以及機(jī)械齒輪比。線速度通過通訊由PLC給定。
3.2 收卷變頻器
由于放卷電機(jī)安裝有編碼器，所以讓變頻器工作在閉環(huán)模式下。PLC實(shí)現(xiàn)卷徑計(jì)算模塊并設(shè)置材料的實(shí)際厚度線速度來源以及機(jī)械齒輪比。線速度通過通訊由PLC給定。
－－以及擺桿PID模塊。設(shè)置目標(biāo)值以及反饋來源，擺桿的反饋電壓范圍為1VDC-8VDC。根據(jù)運(yùn)行情況設(shè)置適當(dāng)?shù)腜，I，D值以及PID限制。根據(jù)調(diào)試情況，為了滿足快速響應(yīng)性，P值需要適當(dāng)設(shè)置大點(diǎn)，I值設(shè)置偏?。粸榱朔乐钩霈F(xiàn)過沖現(xiàn)象，PID限制相對(duì)設(shè)置小。
限于篇幅，臺(tái)達(dá)變頻器具體參數(shù)設(shè)置略。
本文標(biāo)簽：臺(tái)達(dá)變頻器在紡織織帶盤帶機(jī)上的應(yīng)用方案
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