变频器在张力卷绕控制中的应用

变频器在张力卷绕控制中的应用TheApplicationofInverterinSteelBeltWinding作者：成都希望电子研究所陈林李居李明才摘要：本文介绍了如何使用森兰SB80B变频器的转矩控制实现钢带的恒张力卷绕，并提供了一种利用SB80B可编程单元实现断带检测的方法。英文摘要：ThispaperisabouthowtorealizeconstanttensionwindingwithtorquecontrolfunctionofSB80Binverter,andintroducesamethodtodetectabrokensteelbelt.关键词：SB80B变频器恒张力转矩控制可编程单元1引言某轧钢厂的一条生产线，将表面未经处理、待轧的钢带经过酸洗、轧压、切边后，处理成表面洁净、厚度均匀的钢带，收卷后用于后续工序的精加工。卷绕的钢带厚度有3种(2mm、2.75mm、3mm)，卷径变化从610mm到1900mm，要求整个收卷过程保持张力恒定，不带张力传感器，收卷电机110kW，有编码器，每转脉冲数为1000，减速比为36，卷绕控制通过森兰SB80B变频器的转矩控制功能完成。SB80B变频器是森兰变频器制造有限公司自主开发的新一代低噪声、高性能、多功能的工程型矢量控制变频器。它应用极其广泛，这主要得利于它的模块化设计及多种选配件，模块有两个层次:通用功能模块，如PID控制、多段频率、自动节能运行等;行业专用功能模块，如位置控制，纺织应用、恒压供水应用等。它还具有丰富的可编程模块，功能非常完整，编程灵活方便，包括:两个多功能比较器、两个逻辑单元、两个定时器、一个计数器(高速计数方式可对高达300kHz的脉冲信号进行计数，计数器的计数值和计数偏差可以通过功能码查询)、四个算术单元和一个低通滤波器。用户可以根据所需对SB80B的资源进行编程，既可以利用它的可编程功能模块来配合专用功能模块的使用，也可以和通用功能模块配合来实现更多行业的更广泛的功能。在本次应用中，可通过SB80B的可编程资源实现卷径计算、给定转矩计算、材料厚度更改和断带检测等专业应用功能。2系统设计系统中没有张力传感器，有测速编码器，可以选择有PG的转矩矢量控制，通过直接控制电机的输出转矩保持张力恒定。转矩控制下不对速度进行控制，因此应根据系统设置适当的速度极限。给定转矩根据卷径和需要的张力值计算，具体过程如下:设卷轴需要的转矩值为T，单位为N·m，以2.5倍TN为100％的卷轴需要的转矩百分比值为T′;注:额定转矩TN=9550×PN/nN,其中PN为电机额定功率(kW)，N为电机额定转速(r/min)。张力为F，单位为N;最终卷径为Dmax，单位为m;初始卷径为D0，单位为m;实时卷径为D，单位为m;以Dmax为100％的卷径百分比值为D′;钢带厚度为S，单位为m。减速比为i，为电机转速和卷轴转速的比。则T=(F×D)/(2×i)，得到可以推出可以得到用户要求当收卷到最终卷径时，输出转矩为额定转矩TN，所以，最后的转矩给定值为卷径D通过厚度积分法来计算，初始卷径D0已知，负载每旋转一周，卷径的增加量为钢带的厚度，利用SB80B的计数器累加编码器的Z脉冲(编码器每旋转一周出现一次)个数，可得到实时卷径。此时的计数器就相当于一个卷径传感器，计数器的输出就是以最终卷径为100％的信号D′，再通过算术单元1计算出给定转矩T′，就可以实现恒张力的转矩控制了。为使计数器正常工作，需根据最终卷径、初始卷径和钢带厚度计算下面两个值:计数器预置值(代表初始卷径)＝(初始卷径×i)/(钢带厚度×2)＝(D0×i)/(2×S);(取整数部分);设定计数值(代表最终卷径)＝(最终卷径×i)/(钢带厚度×2)＝(Dmax×i)/(2×S);(取整数部分);需要注意的是，计数器的最大计数值为65000，只有在(Dmax×i)/(2×S)≤65000时，才可以使用本方法。用户生产的钢带厚度一共有3种，厚度改变后，CL-26(计数器预置值)和CL-27(设定计数值)也必须改变才能正确控制转矩的变化，但用户的生产线操作台与变频器相隔很远，修改参数很不方便，因此我们通过调整AI2来适应不同钢带厚度的要求。思路如下:以2mm厚度计算得到的CL-27为17100，当负载每旋转一周，卷径应增加36/17100(36为传动比)，当卷绕的是3mm钢板时(CL-27的值应该是11400)，负载每旋转一周，卷径增加36/11400，可以看出，每个Z脉冲对卷径的增加量是随着钢带厚度变化的，如果最开始把CL-26和CL-27修改为以2mm的厚度计算的结果，当需要卷绕3mm的钢板时，应把计数器偏差乘以17100/11400(即3mm/2mm)再用来计算转矩给定。方法如下:D′＝计数器偏差×厚度系数(以最薄钢带厚度为100％，AI2输入)＋D0/Dmax注意:由于算术单元不能运算大于100％的数，这里的厚度系数是通过除以它的倒数来实现的。例如要卷绕3mm的钢带时，厚度系数为3/2＝1.5，则用除以(1/1.5＝66.7％)来实现。最终的设计方案图如图1所示。图1SB80B钢带收卷机转矩控制系统图收卷控制中还可以采用接近开关进行计圈、采用无PG转矩矢量控制，不需编码器，成本可降低。为了在低速有较高的转矩精度，本例中使用的是PG的Z信号计圈及有PG的转矩矢量控制方式，PG的外部接线方式如图2所示。图2PG接线图另外，用户需要断带检测，并通过AI1提供给我们一个实测的线速度作参考。我们根据编码器测得的频率来计算一个负载线速度，并与实测的线速度进行比较，若相差太大，可以认为是发生断带。线速度，D为实际的卷径，若我们使用相对于最终卷径的D′，则求得的线速度为相对于最大线速度的百分比。实际实现时，只需计算fPG×D′，其余部分都是常数，通过调整AI1的增益和偏置使在未断带时AI1输入的线速度与我们计算的线速度一致即可。其中定时器1的作用是实现消抖，防止干扰误动作。实现框图如图3所示。陈林-33运行调试调试步骤如下:（1)首先确保动力线与信号线都已正确的连接;（2)进行有PG矢量控制的调试步骤(具体参见SB80B的用户手册);（3)观察数字输入、模拟输入、模拟输出和计数器等是否确实可用;（4)以下是部分的功能参数设置给出运行命令之后，SB80B变频器根据计数器测得的卷径自动给定转矩，使钢带收卷过程中的张力始终保持恒定，直至一卷钢带生产完成。还可利用数字输出28(设定计数值到达)来给出停机命令，这样，每次生产完一卷钢带后变频器会自动停机，功能码设置这里不再赘述。4结束语由于SB80B优异的转矩控制性能、强大的可编程功能模块和方便的应用方法，很容易完成了恒张力控制方案和断带检测方案的设计和现场调试的全部工作，应用取得了满意的效果。熟悉SB80的各种资源，灵活应用各种功能模块，特别是可编程模块，可以使用户从容面对各种复杂多变的应用需求，灵活应对各种功能、工艺的要求。