艾默生CT变频器在涤纶短纤生产线上的应用
2006/12/27 9:15:00
1、系统概述
为满足现代化纺织工业高自动化、高效率、高可靠性和高精度的要求，可编程控制器、人机界面、和变频器传动控制在纺织工业上取得了广泛的应用。
艾默生网络能源有限公司（以下简称艾默生）的变频器产品以其丰富的功能、优越的性能在纺织行业里面取得了很好的应用，下面是艾默生变频器在某化纤厂2万吨涤纶短纤生产线的应用情况介绍。
涤纶生产线，整个生产系统是由前纺部分和后纺部分组成。
前纺部分主要是由挤压、溶体输送、纺丝、卷绕等部分组成。
后纺部分设备包括集束架、导丝机、浸油槽、一道牵伸机、水浴牵伸槽、二道牵伸机、蒸汽加热箱、紧张热定型、冷却、三道牵伸机、叠丝机、张力架、卷曲机加热、卷曲机、铺丝机、烘干、卷绕、切断等。由于此部分对各个环节的速度同步控制非常严格，采用了PROFIBUS总线控制。
2、前纺纺丝部分的变频器调速系统
2.1前纺纺丝机的生产工艺流程
前纺纺丝机的生产工艺流程图如下：
图1 前纺纺丝机生产工艺流程图
（1）纺丝：聚脂材料经过挤压后，变成溶体，并经过溶体管道连续输送到纺丝箱体。在纺丝箱体上装有纺丝计量泵，溶体从纺丝计量泵上以均匀的流速传至纺丝组件，经过过滤后从喷丝板上的小孔中挤压成束，一个喷丝板喷出的丝约有几千条，喷出后的丝束经过一个快速冷却风管，然后将众多聚脂纤维集结在一起，并通过上油后，传至卷绕机上面。
（2）卷绕机：将上油后的落下的32股丝束合并成一股丝束，经过牵引，经喂入轮落入到盛丝桶中，做为后纺部分的原材料。
2.2前纺纺丝机对电气传动的要求
（1） 为了保证涤纶短纤维的纤度均匀一致，要求32台纺丝计量泵的转速必须严格同步，其精度为0.01～0.05%。
（2） 为了满足纤维多品种的要求，计量泵要有一个较宽的速度调节范围，纺丝计量泵的转速调节范围约为3:1～5:1。
（3） 为了避免纺丝计量泵停车后造成的经济损失，要求调速器具有较高的可靠性、稳定性。
2.3前纺纺丝机的变频调速系统
由图1的生产工艺流程可以看出，在前纺纺丝机部分的变频调速系统如下：
图2 前纺纺丝机的变频调速系统
（1）挤出机部分，因负载比较大，并且要求要有较高的低频转矩，在变频器上选用的是EV2000系列产品，可以在0.5HZ时达到180%的转矩。
（2）因计量泵的转速严格要求同步并且稳定，在计量泵电机的选择上，采用了永磁同步电机，选择开环控制方案。因永磁同步电机的运转速度仅仅取决于供电频率（N=60F/P），在变频器和电机的功率匹配上面，采取了用3.7KW变频器带2.5KW同步电机的做法，留有了较大的余量。
（3）在牵引部分，牵引机对变频器的要求较高，它要求一台变频器带8台同步电机，而且，在工艺上还有其特殊的要求，就是在启动的时候，变频器只带第一台电机启动，在启动完成到达恒速运行后，逐一将其余七台电机的接触器合上，而在停机是正好相反。这样，从第二台电机开始，在电机的接触器合上时，都会对变频器产生较大的一个冲击，因此，在选型时，留的余量很大，8台3.13KW的永磁同步电机，选择了45KW的变频器。
3、后纺部分的变频调速系统
3.1后纺牵伸部分的生产工艺流程
在前纺纺丝部分，生产完成后，所形成的丝束叠放在盛丝桶中，这种丝是未牵伸的丝，无法直接使用，尚需要进行进一步的处理。后纺部分牵伸就是对放在盛丝桶中的未牵伸丝进行再度的牵伸的，在后纺部分，需要经过热牵伸（牵伸比例3.2～3.6倍）、卷曲、热定型、切断、打包等工艺，做为涤纶短纤维成品出厂。
后纺牵伸部分的工艺流程图如下图所示：
图3 后纺牵伸生产工艺流程图
图中可以看出，在后纺部分，原丝主要经过三道牵伸，将丝的长度均匀拉伸到原来的3.2～3.6倍，并可以根据对产品的要求，在这三道牵伸里面对拉伸比例作一定的调整。原丝经过拉伸后，进入到卷曲工艺，主要是增加丝的弹性，然后烘干，切断成一定长度的短纤维，即可出厂。
3.2后纺牵伸部分对变频调速的基本要求
由于后纺部分是涤纶短纤维的重要生产环节，其控制的好坏，直接影响到生产出来的短纤维的质量的好坏。在后纺部分，对变频调速系统，有以下基本要求：
（1）必须严格保证各个环节之间的牵伸比，也就是要保证各个环节的速度的比例恒定，张力恒定。要做到这一点，在后纺部分的三道牵伸环节，必须联合起来控制，保证三道牵伸之间的一个固定的关系。
（2）在对短纤拉伸的过程中，由于短纤是有弹性的，那么肯定存在部分的环节电机处于制动状态，这样，在系统考虑时，必须要将处于制动状态的电机发出的电能消耗掉。
（3）短纤的生产，对速度的精度要求较高，而后纺三道牵伸都为大功率的电机，采用异步电机时，必须使用转速闭环控制，保证速度控制的精度、变频器的转矩性能。
（4）为了方便生产管理，需将各种控制信号集中到一个控制台，进行集中调节和控制。
3.3后纺部分的变频调速系统
3.3.1后纺变频器系统配置
后纺部分的变频器的系统配置情况如下图所示：
图4 后纺变频器系统配置
3.3.2共直流母线系统
在整个生产流程当中，核心部分在一、二、三牵，它关系到丝的粗细，质量的好坏。而二牵——牵伸一为主要牵伸部分，其牵伸比在3倍左右（线速度比值），三牵——牵伸二为第二牵伸部分，牵伸比为1.2左右。因为线速度速比的关系，使得一牵在正常运行时始终处于制动状态，而二牵也是大部分时间也处于制动状态。这样，一牵和二牵在生产过程中，将产生大量的能量，采用传统的能耗制动的方法，将产生大量的能源的浪费。鉴于这一点，在本文中，我们提出了一种新的解决方案——采用共直流母线技术，这一新的技术，充分地利用了因制动而发出的电能。
在系统中，我们充分利用了变频器的特性，将一牵和卷曲的变频器共用母线1，二牵和三牵共用母线2，导丝和叠丝的变频器将不接电源而直接接于母线1上面。分成两条母线并联，进行发电－电动结合，提高了系统的可靠性，同时还能保持共直流母线的优越性。
按照以上思路，后纺部分牵伸段的变频器线路图如下：
图5 牵伸部分线路图
共母线的四台变频器都通过接触器和熔断器后，将自己的母线接到共用母线上面去，接触器的通断由变频器的PA－PC输出READY信号控制，针对共母线方案，在变频器的功能码当中还增加了一个功能FA.16（READY延时输出），在调试时根据变频器的功率的大小，设置不同的延时输出时间，保证先把功率大的变频器接到母线上面。每台共母线变频器的接线如图四所示，频率由总线给定，运行命令由端子给定。
图6 牵伸变频器接线图
这样，从工艺上考虑，55KW发出电可以供应30KW/5.5KW/7.5KW使用，而90KW发出的电可以供应110KW使用，节约了大量的能量。
在此方案中，通过对后纺所用的TD3000变频器进行有效的组合，采取共直流母线技术，节约了大量的能量，极大的降低了生产成本。采用通讯控制后，很方便的形成了整个系统的速度的闭环，有效的保证了各工艺段的同步过程，而变频器采用闭环矢量，提高了速度的精度。这种方案低的推出，对化纤生产将产生很大的影响。
3.3.2PROFIBUS总线系统
在后纺部分，采用了PROFIBUS总线控制系统，分为三个部分：变频器调速系统、上位机、人机界面。在整个系统中，变频器的速度给定、启动命令、速度的监控的都通过PLC实现，同时在生产线的旁边，设有一个人机界面，与PLC进行总线通讯,在人机界面上，可以进行各个环节的速度的设定、牵伸比的设定、启动、停车、生产线的监控等。
3.3.3生产线整线速度闭环系统
在整个后纺生产中，各个牵伸的速度的大小，将直接影响到纤维丝的质量的好坏。影响纤维丝质量好坏主要表现在两个方面：
（1） 单台变频器的速度的精度；
（2） 各牵伸之间的速度的关系，也就是要保证张力恒定；
在单台变频器上，我们选择了速度精度很高的TD3000系列矢量型变频器，并采取了闭环矢量控制，在每台牵伸的变频器上，增加了旋转编码器，控制精度达到了0.05%。
考虑到各个牵伸之间的关系，各个牵伸之间的速度必须进行严格的控制，在任何时候，要保证各个牵伸之间的速度的比值是一个恒定值。因此，我们在单台闭环矢量的基础上，增加了整条生产线的速度闭环控制。因在后纺部分用到了PROFIBUS总线控制，这样，就在上位机中，对整车的速度进行实时监控并计算，并选择一个参考点，一旦计算出某个环节的变频器的实际速度不符合要求，上位机立即给出频率修改指令，调整这一台变频器的速度，保证整线的速度之间的比例关系恒定。
4、调试过程
在前纺、后纺的变频调速系统中，因后纺用到的闭环矢量控制，又有新的技术共直流母线技术，因而在调试过程中主要集中在后纺这一部分。
在这一阶段的调试中，首先要确保共直流母线的可靠性，
设置变频<
为满足现代化纺织工业高自动化、高效率、高可靠性和高精度的要求，可编程控制器、人机界面、和变频器传动控制在纺织工业上取得了广泛的应用。
艾默生网络能源有限公司（以下简称艾默生）的变频器产品以其丰富的功能、优越的性能在纺织行业里面取得了很好的应用，下面是艾默生变频器在某化纤厂2万吨涤纶短纤生产线的应用情况介绍。
涤纶生产线，整个生产系统是由前纺部分和后纺部分组成。
前纺部分主要是由挤压、溶体输送、纺丝、卷绕等部分组成。
后纺部分设备包括集束架、导丝机、浸油槽、一道牵伸机、水浴牵伸槽、二道牵伸机、蒸汽加热箱、紧张热定型、冷却、三道牵伸机、叠丝机、张力架、卷曲机加热、卷曲机、铺丝机、烘干、卷绕、切断等。由于此部分对各个环节的速度同步控制非常严格，采用了PROFIBUS总线控制。
2、前纺纺丝部分的变频器调速系统
2.1前纺纺丝机的生产工艺流程
前纺纺丝机的生产工艺流程图如下：
图1 前纺纺丝机生产工艺流程图
（1）纺丝：聚脂材料经过挤压后，变成溶体，并经过溶体管道连续输送到纺丝箱体。在纺丝箱体上装有纺丝计量泵，溶体从纺丝计量泵上以均匀的流速传至纺丝组件，经过过滤后从喷丝板上的小孔中挤压成束，一个喷丝板喷出的丝约有几千条，喷出后的丝束经过一个快速冷却风管，然后将众多聚脂纤维集结在一起，并通过上油后，传至卷绕机上面。
（2）卷绕机：将上油后的落下的32股丝束合并成一股丝束，经过牵引，经喂入轮落入到盛丝桶中，做为后纺部分的原材料。
2.2前纺纺丝机对电气传动的要求
（1） 为了保证涤纶短纤维的纤度均匀一致，要求32台纺丝计量泵的转速必须严格同步，其精度为0.01～0.05%。
（2） 为了满足纤维多品种的要求，计量泵要有一个较宽的速度调节范围，纺丝计量泵的转速调节范围约为3:1～5:1。
（3） 为了避免纺丝计量泵停车后造成的经济损失，要求调速器具有较高的可靠性、稳定性。
2.3前纺纺丝机的变频调速系统
由图1的生产工艺流程可以看出，在前纺纺丝机部分的变频调速系统如下：
图2 前纺纺丝机的变频调速系统
（1）挤出机部分，因负载比较大，并且要求要有较高的低频转矩，在变频器上选用的是EV2000系列产品，可以在0.5HZ时达到180%的转矩。
（2）因计量泵的转速严格要求同步并且稳定，在计量泵电机的选择上，采用了永磁同步电机，选择开环控制方案。因永磁同步电机的运转速度仅仅取决于供电频率（N=60F/P），在变频器和电机的功率匹配上面，采取了用3.7KW变频器带2.5KW同步电机的做法，留有了较大的余量。
（3）在牵引部分，牵引机对变频器的要求较高，它要求一台变频器带8台同步电机，而且，在工艺上还有其特殊的要求，就是在启动的时候，变频器只带第一台电机启动，在启动完成到达恒速运行后，逐一将其余七台电机的接触器合上，而在停机是正好相反。这样，从第二台电机开始，在电机的接触器合上时，都会对变频器产生较大的一个冲击，因此，在选型时，留的余量很大，8台3.13KW的永磁同步电机，选择了45KW的变频器。
3、后纺部分的变频调速系统
3.1后纺牵伸部分的生产工艺流程
在前纺纺丝部分，生产完成后，所形成的丝束叠放在盛丝桶中，这种丝是未牵伸的丝，无法直接使用，尚需要进行进一步的处理。后纺部分牵伸就是对放在盛丝桶中的未牵伸丝进行再度的牵伸的，在后纺部分，需要经过热牵伸（牵伸比例3.2～3.6倍）、卷曲、热定型、切断、打包等工艺，做为涤纶短纤维成品出厂。
后纺牵伸部分的工艺流程图如下图所示：
图3 后纺牵伸生产工艺流程图
图中可以看出，在后纺部分，原丝主要经过三道牵伸，将丝的长度均匀拉伸到原来的3.2～3.6倍，并可以根据对产品的要求，在这三道牵伸里面对拉伸比例作一定的调整。原丝经过拉伸后，进入到卷曲工艺，主要是增加丝的弹性，然后烘干，切断成一定长度的短纤维，即可出厂。
3.2后纺牵伸部分对变频调速的基本要求
由于后纺部分是涤纶短纤维的重要生产环节，其控制的好坏，直接影响到生产出来的短纤维的质量的好坏。在后纺部分，对变频调速系统，有以下基本要求：
（1）必须严格保证各个环节之间的牵伸比，也就是要保证各个环节的速度的比例恒定，张力恒定。要做到这一点，在后纺部分的三道牵伸环节，必须联合起来控制，保证三道牵伸之间的一个固定的关系。
（2）在对短纤拉伸的过程中，由于短纤是有弹性的，那么肯定存在部分的环节电机处于制动状态，这样，在系统考虑时，必须要将处于制动状态的电机发出的电能消耗掉。
（3）短纤的生产，对速度的精度要求较高，而后纺三道牵伸都为大功率的电机，采用异步电机时，必须使用转速闭环控制，保证速度控制的精度、变频器的转矩性能。
（4）为了方便生产管理，需将各种控制信号集中到一个控制台，进行集中调节和控制。
3.3后纺部分的变频调速系统
3.3.1后纺变频器系统配置
后纺部分的变频器的系统配置情况如下图所示：
图4 后纺变频器系统配置
3.3.2共直流母线系统
在整个生产流程当中，核心部分在一、二、三牵，它关系到丝的粗细，质量的好坏。而二牵——牵伸一为主要牵伸部分，其牵伸比在3倍左右（线速度比值），三牵——牵伸二为第二牵伸部分，牵伸比为1.2左右。因为线速度速比的关系，使得一牵在正常运行时始终处于制动状态，而二牵也是大部分时间也处于制动状态。这样，一牵和二牵在生产过程中，将产生大量的能量，采用传统的能耗制动的方法，将产生大量的能源的浪费。鉴于这一点，在本文中，我们提出了一种新的解决方案——采用共直流母线技术，这一新的技术，充分地利用了因制动而发出的电能。
在系统中，我们充分利用了变频器的特性，将一牵和卷曲的变频器共用母线1，二牵和三牵共用母线2，导丝和叠丝的变频器将不接电源而直接接于母线1上面。分成两条母线并联，进行发电－电动结合，提高了系统的可靠性，同时还能保持共直流母线的优越性。
按照以上思路，后纺部分牵伸段的变频器线路图如下：
图5 牵伸部分线路图
共母线的四台变频器都通过接触器和熔断器后，将自己的母线接到共用母线上面去，接触器的通断由变频器的PA－PC输出READY信号控制，针对共母线方案，在变频器的功能码当中还增加了一个功能FA.16（READY延时输出），在调试时根据变频器的功率的大小，设置不同的延时输出时间，保证先把功率大的变频器接到母线上面。每台共母线变频器的接线如图四所示，频率由总线给定，运行命令由端子给定。
图6 牵伸变频器接线图
这样，从工艺上考虑，55KW发出电可以供应30KW/5.5KW/7.5KW使用，而90KW发出的电可以供应110KW使用，节约了大量的能量。
在此方案中，通过对后纺所用的TD3000变频器进行有效的组合，采取共直流母线技术，节约了大量的能量，极大的降低了生产成本。采用通讯控制后，很方便的形成了整个系统的速度的闭环，有效的保证了各工艺段的同步过程，而变频器采用闭环矢量，提高了速度的精度。这种方案低的推出，对化纤生产将产生很大的影响。
3.3.2PROFIBUS总线系统
在后纺部分，采用了PROFIBUS总线控制系统，分为三个部分：变频器调速系统、上位机、人机界面。在整个系统中，变频器的速度给定、启动命令、速度的监控的都通过PLC实现，同时在生产线的旁边，设有一个人机界面，与PLC进行总线通讯,在人机界面上，可以进行各个环节的速度的设定、牵伸比的设定、启动、停车、生产线的监控等。
3.3.3生产线整线速度闭环系统
在整个后纺生产中，各个牵伸的速度的大小，将直接影响到纤维丝的质量的好坏。影响纤维丝质量好坏主要表现在两个方面：
（1） 单台变频器的速度的精度；
（2） 各牵伸之间的速度的关系，也就是要保证张力恒定；
在单台变频器上，我们选择了速度精度很高的TD3000系列矢量型变频器，并采取了闭环矢量控制，在每台牵伸的变频器上，增加了旋转编码器，控制精度达到了0.05%。
考虑到各个牵伸之间的关系，各个牵伸之间的速度必须进行严格的控制，在任何时候，要保证各个牵伸之间的速度的比值是一个恒定值。因此，我们在单台闭环矢量的基础上，增加了整条生产线的速度闭环控制。因在后纺部分用到了PROFIBUS总线控制，这样，就在上位机中，对整车的速度进行实时监控并计算，并选择一个参考点，一旦计算出某个环节的变频器的实际速度不符合要求，上位机立即给出频率修改指令，调整这一台变频器的速度，保证整线的速度之间的比例关系恒定。
4、调试过程
在前纺、后纺的变频调速系统中，因后纺用到的闭环矢量控制，又有新的技术共直流母线技术，因而在调试过程中主要集中在后纺这一部分。
在这一阶段的调试中，首先要确保共直流母线的可靠性，
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