四方E380变频器伸线机上的应用

一、前言

　　双变频伸线机为电线电缆的主要加工设备，它的加工对象主要为金属铜、铝、以及铜包铝等。简单工作流程：通过主拉电机，控制机械机构传动内导轮，牵引金属线经过多道拉丝模，逐级牵伸，达到产品目标直径规格。为保证产品质量，通过张力杆动态平衡，达到调节丝线直径均匀的目的。保证张力杆的平衡，是保证线径均匀，保证好的产品质量的先决条件，而张力杆的平衡稳定度，完全由卷绕电机的速度决定，为了实现其动态平衡和稳定，卷绕电机速度控制使用简单的开环控制和普通PID调节是远远达不到要求的。因此，现有市场上针对此，有不同的控制方案：

1、使用PID控制板：PID控制板有不同的应用形式，部分国产甚至国外的变频厂家，在早期为推广使用其变频器，专门制作了PID反馈板，在应用时，由于作为一个变频器的附属产品，通用性较差。而部分拉丝厂家工程师在深入研究了拉丝机的各项性能和功能后，也有推出针对拉丝设备的PID控制板，很多方案甚至使用人性化界面设计，此类控制方案通用性较强，也应用较广，但是控制板的电子元器件参数调试不够方便，为达到调节稳定度的目的，必须让直接客户在使用过程中不断进行参数修正以优化性能。而部分硬件实现的PID控制板由于电子元器件随温度等外界环境的变化而变化，导致PID参数变化，需要随时维护。

2、使用外部PLC控制：这种方式的控制多见于部分大型拉丝机制造厂家，PID算法与PLC内部集成，稳定性比较好，也比较可靠，但是PLC的应用增加了系统本身的造价和成本，在综合考虑成本和性能上面，此方案的选择并非最佳选择。

3、使用单片机控制系统：单片机系统可做到控制的人性化，将系统PID功能集成于MCU的软件里面，通过友好人机界面，实现拉丝设备方便操作，方便维护，但是此种方案涉及到比较复杂的软硬件开发，而且开发周期较长，难以推广。

4、使用拉丝机专用卷绕变频器。拉丝机专用变频器的较早出现于国外和我国的台湾地区，将卷绕功能的前馈PID集成于变频器的软件算法，通过优化专用的参数设置，便可实现稳定可靠的运行。这种方式是市场上应用最广，也是最值得推广的方案，但是此种方案的国产专用变频器在早期的推广遇到了不小的阻碍，主要是由于产品本身的性能和稳定性达不到部分现场的要求，部分客户暂时难以接受。随着国产变频器的应用逐步深入高端场合，其稳定性和使用性能也被已经完全被市场接受，加上国产变频器的服务到位，较之国外厂家有不小的优势，也使国产变频器的市场份额越来越大，使用越来越广。

二、四方E380产品功能特点：

　　E380系列变频器是四方电气技术有限公司于2007年年初推出的集成型产品，在E350系列的基础上，改进完善了硬件和软件设计，集成了多种专用功能，针对拉丝机行业，E380改进了PID设计，通过算法融入主拉机频率的前馈PID设计，实现了主机和卷绕的稳定同步，达到收线张力的动态平衡。针对客户现场模拟量信号的误差较大以及电压模拟量抗干扰性差的特点，E380系列拉丝专用功能独特RS485数字通讯进行联动控制的方式，在很大程度上克服了模拟信号传输的缺陷。

E380系列拉丝专用软件特点：

1、 内置前馈PID功能，无需外部PLC，MCU控制系统，PID控制板。

2、 自适应PID参数调整，变频器自动优化PID参数调节性能。

3、 简单易懂的拉丝专用参数组，大大减少客户调试时间和难度。

4、 转速检测和显示，线长计长设定、检测、显示等功能，可节省客户转速显示表，计米表等设备成本。

5、 多种断线检测和报警方式，避免出现意外情况下的事态扩大。

6、 RS485联动控制，且可随意调节的联动比例，增加了联动信号的精度，更易于实现张力杆的稳定控制。

7、 集成化的软件设计，模块化软件设计，可切换到通用模式。

三、拉丝机系统实现方案：

方案1：四方E380变频器为主拉驱动和卷绕驱动，主拉与卷绕的频率信号通过RS485联动。

方案2：使用东元7200系列做主拉变频器，通过四方E380拉丝专用变频器替代PID控制板。主拉与卷绕通过主机（东元变频器）模拟信号输出，卷绕（四方变频器）模拟信号读取进行频率同步。

四、方案介绍：

下面，将此两种方案逐一进行详细介绍。

方案一　四方变频器联动控制方案

一、系统控制简图：

二、外部元器件功能说明：

三、功能描述和实现方法：

1、主机点动独立控制

　　初次穿线或者在由于偶然因素导致断线时，需要单独控制主拉机牵引滑轮运转，此时应避免启动卷绕机。

　　实现方法：通过多功能端子X1实现主机点动输入，点动频率不同步可通过参数设置。

　　主机参数设置：F3.0=6，F9.3=*1*1。

2、卷绕机的启动控制

　　卷绕电机的运行应与主机保持同步，但是启动过程为了保持启动平滑，可通过RS485通讯，使卷绕机在主机运行到一定频率后开始执行卷绕操作。使用四方专用卷绕功能，不需要给出单独的启动控制指令，而可通过主机RS485通讯控制，只需要设定从机的起始频率。

　　卷绕机参数设置：F8.1=2。

3、主从频率联动

　　主机与从机的频率存在一定的对应关系，四方变频器可以自适应地寻找主从频率对应比，但合理的设置主从联动比例和机械传动比，可以使拉丝机较快进入稳定状态。使用RS485通讯，实现主机与从机的频率信号信息互享，从机根据主机的当前频率，根据其自动搜寻的频率比，确定前馈PID的基频。

　　主机参数设定：F9.0=0014，F9.3=1111，F9.5=1.0。

　　从机参数设定：F9.0=0014，F0.1=2。

　　注意事项：主机必须以输出频率做为同步频率源，不能以设定频率作为频率源，否则会导致前馈PID算法误差较大，而出现卷绕平衡杆不稳定。

4、主机速度频率给定。

　　主拉变频器的速度，决定了整个拉丝机系统的工作效率，为方便现场操作，主机变频器频率设定通过外接电位器实现。系统上限频率80Hz，通过VC2模拟输入，调节电位器，实现0－80Hz的范围调频。

　　主机参数设定：F0.1=5，F0.8=80，F2.2=0，F2.3=10，F2.8=0，F2.9=80，F0.10=50，F0.11=50。

　　注意事项：为保证效率，主机的上限频率设置到80Hz，但主机的加减速时间不宜过短，需要设定在40S－100S。

5、排线机启动控制：

　　排线机是为了均匀整齐将金属丝排绕的目的而使用，在卷绕速度一定时，也必须保证排线机的速度均匀，现有的排线机一般都通过工频电机驱动，需要注意的只是在卷绕机启动后，及时启动排线机，本系统中，使用集电极端子OC1输出，当卷绕从机高于2Hz时，驱动辅助继电器实现。

　　卷绕机参数设定：F3.6=2，F3.10=2，F3.11=0.1。

6、卷绕机的张力反馈：

　　张力杆的稳定度是衡量产品质量的依据。如果张力杆不稳定，产品的线径均匀度不够，将严重影响产品品质。与大部分系统相似，通过张力杆带动一高精度电位器，电位器的反馈信号反应了摆杆的位置，通过变频器的5V电平输出供应电源，反馈输入接入VC1。

　　卷绕机参数设定：F0.0=0001，F2.0=0，F2.1=5，F7.0=0，F7.1=0021，F8.11=50。

　　注意事项：并非每个现场的平衡位置都位于中心点，为方便确定平衡点，四方卷绕机专用变频器可通过监控D-9监测当前摆杆位置，可在调试前确定平衡位置后，再相应设定参数值。

7、线速度检测功能，计米功能实现

　　卷绕机的线速度检测一般通过导轮的接近开关实现，通过检测接近开关的输入频率，实现计米功能和自动计长功能。四方卷绕专用变频器的频率速度检测可以低之1Hz以内，完全达到系统精度需求。

　　卷绕机参数设定：F8.8=4，F2.6=0，F2.7=0.2。

　　注意事项：卷绕机的线速度是对应的最大线速度需要根据导轮的半径具体计算。当导轮转动一圈，接近开关输出一个脉冲时的计算方法如下：F8.9=2*（3.14）*R*（F2.7）*1000，其中R为导轮的半径，单位为m，F8.9的单位为m/S。

8、断线故障检测以及抱闸信号输出

　　断线检测功能是为了系统及时发现故障，及时停机检测，一般采用接近开关信号输入检测，为了防止误检测，从机需要正确设定下列参数：

　　参数设定：F8.12=1，F8.13=10，F8.14=20，F8.15=2，F8.16=1,F8.17=1，F8.18=7，F8.20=7S，F3.7=21。

　　当变频器断线检测功能在从机高于10Hz，延时2秒以后，且摆杆位置低于20％时间1秒以上有效。当卷绕机检测到断线故障时，需要及时输出抱闸信号到机械系统，实现紧急停车，此时变频器自由停车，使用OC2信号输出功能。

9、卷绕机停机参数设定：

　　卷绕机在停机过程中，当频率较低时候，反馈系统较容易不稳定，为了保证停机时避免较大的张力杆摆幅而造成断线，一般在低于一定频率时候，对卷绕机采用直流制动停机方案。

　　参数设定：F8.19=1.5Hz，F8.20=7。

10、平滑启动功能：

卷绕机在启动时，由于算法中预先给定了前馈频率，容易造成启动速度冲击而使张力杆不稳定。四方E380拉丝专用变频器优化了启动过程的算法，通过参数F8.0合适的设置，可以达到平稳启动，起停基本不断线的功能。

四、参数表：

四方变频器主机参考参数设置表：

四方变频器从机对应参数表：

五、调试注意事项说明

1、摆杆反馈位置调试：

　　四方变频器启动过程不需要人为参与，因此，启动初始时，需保证摆杆位置反馈值稳定且低于设定平衡点。通过监测参数d-9，调节参数F2.2,F2.3实现（即保证摆杆最低位置d-9=0,摆杆最高位置d-9=100，摆杆平衡位置d-9=50）。

2、 启动停机过程调试：

　　四方变频器使用独特的启动算法，最大限度保持卷绕机摆杆启动过程的平稳，实现启停不断线。影响起停的关键的参数有：（1）主机的加减速时间。主机加减速时间越长，从机频率跟踪冲击越小，则启停稳定度越好，一般推荐使用50S以上。（2）从机的加减速时间。从机加减速时间相关的有加减速时间1和加减速时间4，其中加减速时间1为变频器的输出频率加减速，加减速时间4为前馈PID的PID环输出加减速时间。为了保证变频器启动停机以及平稳运行时的快速响应，在保证变频器无故障输出时，应该尽量减少此两个加减速时间。（3）启动平滑时间。平滑时间是指启动过程中摆杆被拉起的时间，时间越长，摆杆启动平稳度越好，摆杆超调越小;时间越短，摆杆启动越快，可能导致的超调越大，甚至导致断线，需要折中选择。（4）联动设定比。四方变频器具有自动识别联动比例功能，但在第一次使用时，如果没有正确设置联动比例，则可能出现启停不稳定的情况。可以通过人为调节正确的联动比例实现启动停机稳定，也可以通过第一次启动，使变频器自动识别稳定参数，在后续运行过程，均可以保证变频器稳定启停。

3、 摆杆平稳度调试：

　　摆杆的平稳度是检验变频器控制性能的标准，四方变频器使用的是前馈PID功能算法，最大限度保证了摆杆平稳运行。四方变频器可以选择单一参数组，也可以选择根据运行频率实际自动调节PID参数组。以下论述PID参数组基本调试方法：

（1）比例增益：比例增益影响PID环节的快速响应。当摆杆在启停或者稳定运行时出现较大超调时，可适当增加此参数值。

（2）积分时间：积分时间常数使保证PID环节稳定的关键参数，增加积分时间，可以减少在稳定运行时的摆杆振幅。过大的积分时间常数容易形成摆杆的大幅超调。

（3）微分时间：微分时间常数可使PID环节做出预先判断，抑制摆杆超调，但是此参数值设置过大，容易出现振荡。

六、调试过程问题解决：

调试过程中容易出现问题如下：

1、启动断线：

　　如是第一次上电启动出现断线，可能是机械传动比或者主机和从机频率比例设置不够合理，导致变频器算法误判正确的机械或主从频率比，此种状况在第二次试机时可消除，四方专用模块可在第一次启动过程中正确检测合理传动比。

　　如非第一次启动断线，摆杆被拉升到高位断线，此种情况可能由于主机的加减时间过短，或卷绕从机加减速过大，导致频率跟踪和算法频率响应过慢，此时适当增加主机的加减速时间，在变频器不出现故障的情况下减小从机的加减速时间。一般推介主机加减速时间大于50S，从机加减速时间小于3S。

2、快速启动过程以及提高摆杆稳定度：

　　四方变频器在启动过程中使用了独特的算法，启动振幅大，可能由于主机加减速时间过短，导致主机的输出频率变化过快，而使从机频率跟踪速度不稳定，最终导致摆杆稳定度不够。同时此情况可能与启动增益参数有关，延长启动增益时间，可以提高启动过程的摆杆稳定度。从机开始启动后，系统要求必须快速爬升到摆杆的平衡位置，此过程时间在3S左右，通过降低起始动作频率减少此过程时间，同时启动增益延时可适当减少。

3、手动摆杆到目标位置，从机启动过慢：

　　很多客户原来使用其他品牌变频器或者PID控制板，由于启动过程不够稳定，习惯将摆杆预先放置在目标位置，四方变频器的独特算法，可以不需要人为参与，因每次启动过程均为参数的自校正过程，人为参与会导致参数的自校正错误，而使摆杆启动速度过慢。

4、摆杆在拉丝过程中，出现振幅较大，或者出现振荡断线情况：

　　合理的PID参数和四方前馈PID算法完全能够保证摆杆的稳定度，但是如果随频率的变化，固定的PID参数可能不够适用当前运行频率时，可能会出现振幅过大或者出现振幅过大导致的断线。此时有两个解决办法，第一是PID参数的设置根据运行频率，当高频时使用第一组参数，低频时使用第二组参数，中间过程斜率变化，具体参数可以参考从机参数表。第二是适当降低当前PID控制器的微分参数。微分参数在保证摆杆稳定度时，也增加了系统的不稳定性，适当减少此参数，可大大增加系统的稳定度。

七、拉丝专用监控参数及说明：

方案二　四方E380变频器与东元变频器细拉机上的联动应用

一、系统概述

  　伸线动力：  东元7200MA－4T0037变频器

  　收卷动力：  四方E380－4T0022拉丝专用变频器

  　进线径：   ф0.5

　　出线径：   ф0.06

　　张力反馈方式：  360度高精度旋转电位器，重力式摆杆反馈。

　　模数：22

二、拉丝伸线机系统实现：

1、外围器件功能说明：

2、主机接线功能说明：

3、从机接线功能说明：

三、控制功能简述

　　除与方案一中部分需要注意的事项外，使用与东元变频器联动方案还需要注意以下几点：

1、主机点动信号与主机控制从机启动

　　为了确保主机的点动独立，从机的启动在主机启动后执行，方案中使用主机的集电极输出作为控制从机的启动信号，需要设定主机的点动频率低于DO1的频率检出对应频率。

2、主机与从机的故障复位

　　在运行中，如从机出现故障，通过主机的DI3端口检测，使主机做出对应的处理，当故障排除后，可通过S4开关进行手动复位，S4的复位是同时对主机和从机进行复位。

3、主机和从机的同步控制

　　主拉变频器输出频率决定了整个拉丝机械的工作效率，同时也为卷绕机的PID环节提供前馈频率信号，从而使卷绕变频器的PID功能输出稳定，保证摆杆的稳定运行。主机   通过类比输出AO1，输入到从机VC2模拟信号输入端。

 附录1：东元变频器主机主要参数表：

  主机参数参考表及简单说明：

附录2：四方变频器从机对应参数表：

  从机参数参考表及简单说明：