台达机电产品进军高端三联拉市场
2007/11/22 9:06:00
一． 内容摘要
拉丝机市场的竞争一直非常激烈，电气方面从单片机开发的专用控制器到拉丝机专用的变频器越来越多的应用到拉丝机的市场，使得人机、PLC、变频器的系统越来越没有竞争力了。但随着国家对不可再生资源的日益关注，提倡节约，在整个线缆行业，越来越多的厂家开始尝试开发新型的生产设备，如铜包铝设备，由此延伸出来的三联拉等设备的潜在市场显得非常巨大，张家港维达机械正是看到了这样的商机，因此投入人力、物力开始研发新型的三联拉设备。
二． 前言
拉丝机种类繁多，按照拉丝的线径大小可以分为：微拉机（线径单位：丝）、小拉机（线径单位：0.Xmm）、中拉机（线径单位：mm）、大拉机（线径单位：1X mm）.市场上常见的以两单元的小拉机、中拉机居多。 在开发这次三联拉设备之前，我设计使用台达产品已经成功开发了微拉机、小拉机，对于拉丝机的工艺比较熟悉，因此看到了客户刚设计出的设备，听了客户对于工艺的说明和要求，还是比较有把握能开发成功的。
三． 硬件构成：
四． 系统框图：
五． 工艺要求
三联拉属于大型拉丝机，拉出丝的线径较粗（最大线径14mm），因此需要电机在低频启动时要能提供足够大的输出转矩。这样对于变频器的低频特性有较高的要求。因此在做方案时选择了使用B系列的变频器，矢量控制能较普通变频器在低频控制时，让电机的输出转矩有明显的提高。
三联拉不同于传统的拉丝机，一般的拉丝机分为双变频和单变频控制两种。因此在控制上只要PID参数在调试的过程当中能够合理设置，让收线的速度通过积分的作用跟随拉丝的速度，将积分增益设置的大一些，而积分周期要长一些，这样控制效果会比较理想。而三联拉分为两级拉伸，从拉的速度跟随主拉的速度，同时收线的速度要快速跟随从拉的速度。当主拉速度变化时，从拉及收线的速度要跟随主拉的速度同升同降，并且由于主拉加减速打破了之前的平衡状态，要求从拉及收线的要快速响应，达到新的平衡状态。尤其是收线要更加要快速响应。由于控制对象相互之间在速度上相互影响，因此在应用普通拉丝机的控制方法，使用简单的PID调整就很难使得从拉和收线达到平衡。积分作用的滞后，同时平衡杆可调节的范围又比较小，如果不能快速响应，会出现摆杆回到平衡位置的时间较长，同时在回到平衡位置后，由于积分的累计使得前后速度已经有较大的差异，又造成超过平衡位置，此时后一级又需要经过一段时间的积分作用才能将速度校正过来，但由于积分作用的滞后使得还未将平衡杆校正过来，可能丝就已经被拉断了。因此需要一种新的控制算法，要能够快速响应主速的变化，同时不能够超调，造成系统的震荡。具体的控制算法在下文进行详细的介绍及说明。
六． 控制原理
<1>.控制方式说明
在配置上选用比较有特色的DVP10SX00R的主机，该主机上自带2路模拟量输入和2路模拟量输出，解析度12位。另外选用DVP02DA-S的模块，一路作为两个平衡杆电位器的电源，另外一路作为收线变频器的速度给定。而主机上自带的2路DA，分别作为主拉变频、从拉变频的速度给定。另外2路AD则分别作为2路电位器的反馈输入。这样不仅仅能够为客户节省大幅的成本，同时安装尺寸也非常小，节省了安装空间。
<2>.控制架构
如下图所式：
<3>.控制算法
根据实际控制对象的特性，要求快速响应，同时调节范围有限。因此考虑用比例的关系进行调整，因为大拉机械设计上与微拉、小拉、中拉有很大的不同。前者收线都存在卷径的变化，由卷径的变化而影响速度。而大拉的收线部分不同于前者，可以忽略卷径的变化。算法如下公式所示：
V从拉=K1*V主拉+Kf1*ΔE1 (a)
V收线=K2*V从拉+Kf2*ΔE2 (b)
其中K1为主拉与从拉之间的同步比例系数，K2为从拉与收线之间的同步比例系数。
Kf1, Kf2分别为反馈比例系数，ΔE1，ΔE2为偏离平衡位置的偏差，偏差有正负之分。
由于原料丝经过不同孔径的模具后，被拉成细线径的丝。因此伸长率很大，如果对伸长部分不进行处理，在低速和高速的时候，从拉及收线是来不及响应的。如何确定K1与K2的大小，可以通过原料丝与被拉后丝的体积不变的原则来计算。因此在人机界面上由操作者在如下的画面进行设定：
同步比例系数的确定方法：
因为体积V=πr2L(r为丝的半径，L为丝的长度)，因此从原料丝到经过模具后丝的线径发生了变化。假设进模具前的线径为r1,长度为L1;经过模具后丝的线径为r2,长度为L2，则根据体积不变的原则可以得出：
经过这样的推导，就可以得出在前面控制算法中（a）,(b)两式中同步比例系数K1、K2.
反馈比例系数Kf1、Kf2的确定是依据具体的调试效果来确定。
七． 调试过程
在整个调试过程中，不仅要合理的调整反馈比例系数。同时也要注意主拉、从拉在正常运行过程中出力的不同。可以想象由于原料丝的线径最粗，即第一道拉伸主拉电机要出更多的力，即主拉在低速启动时需要较高的转距，如果仅仅单纯的去调试PLC程序，改变反馈比例系数，在拉不同线径的丝时，控制的效果一定是会发生变化的。我们不可能要求操作人员去动态的调整反馈比例系数。其实只要将主拉的V/F曲线调整的合理，提高低速转距或者根据实际情况还可以将主拉变频的控制方式改成矢量控制，来弥补低速运行时出力不足的情况。
如果主拉的控制方式采用矢量控制，在负载较重的时候，会发现平衡杆频繁震荡。
如果观察运行电流，会发现电机运行电流忽大忽小，之所以会出现这种情况的原因是由于采用矢量控制时，变频的输出电流会进行补偿，以提高电机的输出转矩。而电流改变的太频繁，会造成上述的现象，如何解决？可以增大07-12转矩补偿低通滤波时间，增大该值可以非常有效的克服振动的现象。这一点是非常关键的。
整个系统在运行中可以分为如下过程：<1>启动、<2>加速、<3>减速、<4>停车.
启动要求主拉具有较高的启动转矩，在拉最大线径时也要能有足够的力量。在加速的过程中需要从拉的加速时间要小于主拉的加速时间，目的是为了快速跟随主拉速度的变化，同时也能及时的对平衡杆的变化响应出来。收线在加速的过程中，加速时间要比从拉更小，因为收线要更加快速的对主拉或从拉速度的变化进行快速响应。在减速和停车的过程中，也要合理的对主拉、从拉、收线的减速时间进行设定。以保证在停车时平衡杆能够停在平衡位置附近。
八． 控制效果
启动、加速、减速、停止的动态过程中，实际效果非常理想。平衡杆始终在平衡位置上下很小的一个范围内轻微的摆动。本套系统区别于其它系统，能够自动调整线径的变化造成的伸长率的变化。同步比例系数自动调整，非常灵活。
九． 人机画面
拉丝机市场的竞争一直非常激烈，电气方面从单片机开发的专用控制器到拉丝机专用的变频器越来越多的应用到拉丝机的市场，使得人机、PLC、变频器的系统越来越没有竞争力了。但随着国家对不可再生资源的日益关注，提倡节约，在整个线缆行业，越来越多的厂家开始尝试开发新型的生产设备，如铜包铝设备，由此延伸出来的三联拉等设备的潜在市场显得非常巨大，张家港维达机械正是看到了这样的商机，因此投入人力、物力开始研发新型的三联拉设备。
二． 前言
拉丝机种类繁多，按照拉丝的线径大小可以分为：微拉机（线径单位：丝）、小拉机（线径单位：0.Xmm）、中拉机（线径单位：mm）、大拉机（线径单位：1X mm）.市场上常见的以两单元的小拉机、中拉机居多。 在开发这次三联拉设备之前，我设计使用台达产品已经成功开发了微拉机、小拉机，对于拉丝机的工艺比较熟悉，因此看到了客户刚设计出的设备，听了客户对于工艺的说明和要求，还是比较有把握能开发成功的。
三． 硬件构成：
四． 系统框图：
五． 工艺要求
三联拉属于大型拉丝机，拉出丝的线径较粗（最大线径14mm），因此需要电机在低频启动时要能提供足够大的输出转矩。这样对于变频器的低频特性有较高的要求。因此在做方案时选择了使用B系列的变频器，矢量控制能较普通变频器在低频控制时，让电机的输出转矩有明显的提高。
三联拉不同于传统的拉丝机，一般的拉丝机分为双变频和单变频控制两种。因此在控制上只要PID参数在调试的过程当中能够合理设置，让收线的速度通过积分的作用跟随拉丝的速度，将积分增益设置的大一些，而积分周期要长一些，这样控制效果会比较理想。而三联拉分为两级拉伸，从拉的速度跟随主拉的速度，同时收线的速度要快速跟随从拉的速度。当主拉速度变化时，从拉及收线的速度要跟随主拉的速度同升同降，并且由于主拉加减速打破了之前的平衡状态，要求从拉及收线的要快速响应，达到新的平衡状态。尤其是收线要更加要快速响应。由于控制对象相互之间在速度上相互影响，因此在应用普通拉丝机的控制方法，使用简单的PID调整就很难使得从拉和收线达到平衡。积分作用的滞后，同时平衡杆可调节的范围又比较小，如果不能快速响应，会出现摆杆回到平衡位置的时间较长，同时在回到平衡位置后，由于积分的累计使得前后速度已经有较大的差异，又造成超过平衡位置，此时后一级又需要经过一段时间的积分作用才能将速度校正过来，但由于积分作用的滞后使得还未将平衡杆校正过来，可能丝就已经被拉断了。因此需要一种新的控制算法，要能够快速响应主速的变化，同时不能够超调，造成系统的震荡。具体的控制算法在下文进行详细的介绍及说明。
六． 控制原理
<1>.控制方式说明
在配置上选用比较有特色的DVP10SX00R的主机，该主机上自带2路模拟量输入和2路模拟量输出，解析度12位。另外选用DVP02DA-S的模块，一路作为两个平衡杆电位器的电源，另外一路作为收线变频器的速度给定。而主机上自带的2路DA，分别作为主拉变频、从拉变频的速度给定。另外2路AD则分别作为2路电位器的反馈输入。这样不仅仅能够为客户节省大幅的成本，同时安装尺寸也非常小，节省了安装空间。
<2>.控制架构
如下图所式：
<3>.控制算法
根据实际控制对象的特性，要求快速响应，同时调节范围有限。因此考虑用比例的关系进行调整，因为大拉机械设计上与微拉、小拉、中拉有很大的不同。前者收线都存在卷径的变化，由卷径的变化而影响速度。而大拉的收线部分不同于前者，可以忽略卷径的变化。算法如下公式所示：
V从拉=K1*V主拉+Kf1*ΔE1 (a)
V收线=K2*V从拉+Kf2*ΔE2 (b)
其中K1为主拉与从拉之间的同步比例系数，K2为从拉与收线之间的同步比例系数。
Kf1, Kf2分别为反馈比例系数，ΔE1，ΔE2为偏离平衡位置的偏差，偏差有正负之分。
由于原料丝经过不同孔径的模具后，被拉成细线径的丝。因此伸长率很大，如果对伸长部分不进行处理，在低速和高速的时候，从拉及收线是来不及响应的。如何确定K1与K2的大小，可以通过原料丝与被拉后丝的体积不变的原则来计算。因此在人机界面上由操作者在如下的画面进行设定：
同步比例系数的确定方法：
因为体积V=πr2L(r为丝的半径，L为丝的长度)，因此从原料丝到经过模具后丝的线径发生了变化。假设进模具前的线径为r1,长度为L1;经过模具后丝的线径为r2,长度为L2，则根据体积不变的原则可以得出：
经过这样的推导，就可以得出在前面控制算法中（a）,(b)两式中同步比例系数K1、K2.
反馈比例系数Kf1、Kf2的确定是依据具体的调试效果来确定。
七． 调试过程
在整个调试过程中，不仅要合理的调整反馈比例系数。同时也要注意主拉、从拉在正常运行过程中出力的不同。可以想象由于原料丝的线径最粗，即第一道拉伸主拉电机要出更多的力，即主拉在低速启动时需要较高的转距，如果仅仅单纯的去调试PLC程序，改变反馈比例系数，在拉不同线径的丝时，控制的效果一定是会发生变化的。我们不可能要求操作人员去动态的调整反馈比例系数。其实只要将主拉的V/F曲线调整的合理，提高低速转距或者根据实际情况还可以将主拉变频的控制方式改成矢量控制，来弥补低速运行时出力不足的情况。
如果主拉的控制方式采用矢量控制，在负载较重的时候，会发现平衡杆频繁震荡。
如果观察运行电流，会发现电机运行电流忽大忽小，之所以会出现这种情况的原因是由于采用矢量控制时，变频的输出电流会进行补偿，以提高电机的输出转矩。而电流改变的太频繁，会造成上述的现象，如何解决？可以增大07-12转矩补偿低通滤波时间，增大该值可以非常有效的克服振动的现象。这一点是非常关键的。
整个系统在运行中可以分为如下过程：<1>启动、<2>加速、<3>减速、<4>停车.
启动要求主拉具有较高的启动转矩，在拉最大线径时也要能有足够的力量。在加速的过程中需要从拉的加速时间要小于主拉的加速时间，目的是为了快速跟随主拉速度的变化，同时也能及时的对平衡杆的变化响应出来。收线在加速的过程中，加速时间要比从拉更小，因为收线要更加快速的对主拉或从拉速度的变化进行快速响应。在减速和停车的过程中，也要合理的对主拉、从拉、收线的减速时间进行设定。以保证在停车时平衡杆能够停在平衡位置附近。
八． 控制效果
启动、加速、减速、停止的动态过程中，实际效果非常理想。平衡杆始终在平衡位置上下很小的一个范围内轻微的摆动。本套系统区别于其它系统，能够自动调整线径的变化造成的伸长率的变化。同步比例系数自动调整，非常灵活。
九． 人机画面
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