罗克韦尔自动化 高性能的Power Flex 700变频器实现了纺丝“三速”一致性控制

1．概述 醋酸纤维工业属纺织工业，早在上个世纪二十年代就实现了工业化生产。烟用二醋酸纤维素丝束是一种技术含量较高、品质较高的产品。我国在七十年代、八十年代曾进行了大量的丝束生产工业化试验，最终因产品质量达不到要求而搁浅。直到八十年代末，通过技贸结合的方式引进美国塞拉尼斯（Celanese）生产技术，在江苏南通建立了国内第一家生产企业-南通醋酸纤维有限公司，才开始了国产丝束，结束了我国高品质烟用丝束长期以来全部依赖进口的历史。此后又相继建成珠纤、昆纤、惠大三家醋纤生产企业，并自行研制开发了31个新品、350孔纺丝工艺、丝束生产关键设备纺丝机、卷曲机等，形成了有自主知识产权的丝束生产工业。 丝束生产的关键设备是纺丝机和卷曲机，丝束产品规格的调整、产品质量合格与否，其决定因素是“三速”控制。即计量泵速度、喂丝辊速度、卷曲机速度的控制。 昆明醋酸纤维公司，自95年建厂时就采用了美国罗克韦尔公司的变频器（1336系列），使生产烟用丝束产品质量达到了国际最高标准要求，满足了国内烟草生产对丝束的要求，特别是2004年采用罗克韦尔AB公司新一代高性能的Power Flex 系列变频器后，使昆纤产品在生产规格多样化、工艺技改、实时系统控制、生产稳定性、提高产能等，有了更加得心应手的能力。 2．丝束生产工艺与“三速”控制； 丝束生产工艺主要是将二醋片经浆液制备、3级过滤、纺丝、卷曲、干燥、摆丝、打包7个主工艺段来完成丝束生产和包装。辅助工艺主要是丙酮回收、助滤剂制备、TiO2浆液配制、ST-90制备、公用生产介质（工艺水、软水、蒸汽等）、空调系统等。其中生产不同规格产品、产品质量合格与否的关键是纺丝和卷曲。 2.1 纺丝和卷曲工艺 图1、纺丝机工艺示意图 二醋片经浆液制备、3级过滤后,经制浆段S泵打到纺丝机上端的浆液总管,在浆液总内反复打循环合格后,由大计量泵控制浆液总量，浆液从纺丝机上144个浆液分支管，经对应的144个高精度计量泵控制，计量泵的速度决定了丝束生产的规格。计量泵在运转时把浆液分支管送来的浆液定量送入烛形过滤器，浆液经烛形过滤器后进入浆液预热器，预热的高压浆液经喷丝帽的三层过滤后由喷丝孔喷出,喷出的浆液与纺丝机甬道上部的预热空气一起向下运动，喷丝帽喷出的浆液在均匀热空气的作用下蒸发出丙酮和水份，到甬道底部时形成醋酸纤维单丝。通过喂丝辊的运转将丝从甬道内牵出，通过集丝V形板和集丝罗拉，把单丝汇集成一股丝束,每股丝束经上油辊获取所需的外油含量，再绕过喂丝辊通过节点捕捉器至转向罗拉转900度后，汇集于丝带，根据不同品种要求(20—60)的丝股汇集成丝束带。从纺丝机出来的丝带,在卷曲机对棍的牵引下丝带平展地进入卷曲机腔, 卷曲机腔内受卷曲机压版的压缩变成卷曲丝束,然后喷入卷曲机铺丝器槽,沿槽往下运动后进干燥器,经干燥除丙酮、水份后进入摆丝，打包后完成丝束成品。 (丝束是非常细的,目前生产的丝束规格一根9000米长的丝重为2-4克) 2.2 丝束的质量与“三速”的关系: 从纺丝和卷曲工艺可见,丝束生产的关键是在纺丝机和卷曲机上完成的,其产品规格和质量也是在纺丝机和卷曲机段完成的。控制丝束产品规格、质量、产量的核心工作均集中于“三速”控制，即计量泵、喂丝辊、卷曲机对辊的速度。 计量泵、喂丝辊、卷曲机速度控制，每一环节决定丝带的内在、外在质量，每一个环节要求极其稳定、控制精度要求高；另外“三速”的一致性是致命的技术要求，整个生产过程中,”三速”匹配后反应出丝带的线速度必须越一致越好，只要有一点匹配不好，丝束生产稳定性和连续性就受到挑战,丝束断带、质量不合格。 2.3纺丝速度和“三速”控制方案： 纺丝速度是丝束生产质量和产量的决定因素。贯穿整个纺丝生产过程中的重要速度，除“三速”外还有上油辊速度、干燥机链板速度，摆丝机对辊速度，每一根合格丝都要经过上速几个速度的有效匹配控制。生产中几个速度做到反应在丝带上的线速度一致性越好，质量、产能越高，生产越稳定和连续。 纺丝速度控制，通常以“三速”中喂丝辊速度为中心，以“三速”控制为主，辅以上油辊速度、干燥机链板速度，摆丝机对辊速度，最终完成整个丝束生产的控制。 图2、纺丝速度控制逻辑关系示意图、速度控制回路示意图(以喂丝辊速度为例) 在实际生产中,一台变频器控制一台大计量泵速度,通过大计量泵控制144台小计量的浆液速度;一台喂丝辊控制144股丝,又由4台卷曲机配合完成对同一喂丝辊的丝带进行卷曲,每一台纺丝机要对应配合8台卷曲机，由于各设备功率、轴径、工作位置等不同,使”三速”控制变得更加困难。 为做好这些速度的控制，昆纤工程对这些设备速度的控制方案，都采用了罗克韦尔AB公司的变频器，二期工程采用新一代Power Flex系列变频器。采用同一厂家、同一系列，使其有较好的一致性，较成功的决解了纺丝“三速”控制一致性的问题，使昆纤公司开展的工改，生产不同规格、品种的产品，开发企业潜能，提速增产增收都变得能得心应手。 3．Power Flex系列变频器功能及运用效果 罗克韦尔AB公司Power Flex系列变频器是一个大家族，主要分为Power Flex 4系列和Power Flex 7系列两个等级。每个等级中的变频器，针对运用需求又分为几种产品，每一种产品中又根据性能要求不同分为不同档次的产品，这对用户在使用时，既能选到满足生产要求的变频器，又能节约生产投入成本。 昆纤公司丝束生产中选用的Power Flex 系列变频器，主要是Power Flex 40、70、700变频器，是根据工艺控制性能要求和使用环境要求等考虑。选型合理对确保运用效果是非常重要的。本文结合昆纤公司的特点简要交流Power Flex700变频器功能和运用效果： ①．Power Flex 700变频器：控制方式中主要有基本型和带AB专利FORCE技术的磁场定向控制；两种不同的选择对电机速度控制精度要求是有很大差异，当然费用也不一样；选用基本型对电机速度控制精度为0.5%；选用带FORCE技术的速度控制精度为0.001%。在选基本型变频器时，如果要采用无速度传感器矢量控制方式，选择带不带编码器对速度控制精度也是有很大差异的，不带编码器对速度控制精度为0.5%，带编码器反馈对速度控制精度为0.001%。不同的选型对应性能和价格是有差异的。昆纤“三速”控制的关键是“三速”控制后反应的丝束线速度一致性，对单设备速度控制主要是稳定性，故选用Power Flex 700变频器标准型配置。 ② Power Flex 700变频器：25HP以下的都内置有动态制动单元。动态制动单元对调速性能要求高，特别对需要快速减速的性能有极好的改善。昆纤丝束生产因需要适应市场对不同规格产品需求，工改需要调速频繁，故在选型时对纺丝、卷曲机配的变频器都考虑了带动态制动单元。 ③．Power Flex 700变频器：内置有EMC滤波器和输出共模磁心，能够满足全求EMC电磁兼容性的要求，提供了一体化的集成解决方案； ④．Power Flex 700变频器有较好的网络控制功能，有利于昆纤实现了电气马达调速控制与过程控制系统PCS7，全厂管理控制系统，实时状态在线监视系统等，有效的通信和控制连接。 ⑤、Power Flex 700变频器采用了通用人机界面。人机界面包括LCD人机界面模块和基于PC的组态软件。昆纤为完善对变频系统的管理，还配置了DriveTools2000TM 在离线和诊断软件，DriveExplorerTM在线组态软件等，通过这些工具软件，对全厂变频器组态和化、设置和定值管理、故障诊断分析处理、实施预防维修等，都有较大改善。 图三、中心控制室（PCS7系统—变频器控制）示意图 AB公司的Power Flex系列变频器是一个功能强大、操作灵活、适应性强、使用经济性好的家族产品。除硬件选型时要关注需求功能外，在安装后对其编程组态,做好运用功能选择、参数设置也是非常重要的。昆纤在使用Power Flex系列变频器时，因设置不当也发生过导致影响生产的事故，如摆丝机因减速时间设置不当，在快速减速时导致故障停机，后修改减速时间设置就解决了问题。 综上所述，变频器的运用效果，一是设备选型非常重要，设备本身的性能决定对生产的保障能力。设备选定安装后，做好对其性能的掌握和运用也是非常重要的工作。昆纤使用罗克韦尔公司变频器100多台，新一代高性能的Power Flex 系列60多台，自95年投运到现在，没有发生一次变频器本身的设备事故，其间发生的一些生产事故，经分析都属选型不当和运用时参数设置不当的问题，AB变频器为昆纤生产高品质丝束和稳定、连续生产，做出了很大的贡献。 4．应用体会 通过一期工程（95年）使用罗克韦尔公司1336系列变频器，二期工程（2004年）采用Power Flex系列变频器，我们体会到罗克韦尔公司变频器是高质量，高性能的产品。特别是最新一代Power Flex系列变频器，功能更强大、操作更灵活、对各类设备、使用环境的适应性更强。对有特殊功能要求，如高精度速度控制、苛刻场所应用、多台设备同步性能一致性控制等，都能取得较好的控制效果。昆纤在使用中体会到Power Flex系列变频器，实施对生产设备控制的稳定性、调速性能、网络功能、与工艺过程的联控等，都有较好的效果。