艾默生TD3300变频器在表面处理生产线中的应用

1 引言     表面处理生产线是对布匹、广告纸等材料表面涂一层特殊的化学材料的过程，是个张力控制过程。本方案采用速度模式下的张力闭环控制，为矢量变频器普通速度模式下作pid闭环控制，频率指令由pid输出调节量和同步匹配指令叠加构成，在此方案中，避免了因转矩变化范围过大而无法控制的局面，同时，由于频率指令由同步匹配指令和pid调节输出叠加，可以减少pid的调节量。实践证明，本方案是成功的。

2 初始方案介绍     表面处理生产线是对布匹、广告纸等材料表面涂一层特殊的化学材料的过程，整条生产线使用的都是艾默生的td3000系列变频器，在生产线的最后环节收卷－，使用的是艾默生td3300变频器。生产线的后半段环节工艺图（牵引三和收卷一、二）如图1所示。

            图1 表面处理生产线示意图

（1）牵引三的变频器为td3000 5.5kw，控制4kw电机，减速比为35，牵引辊为300mm； （2）收卷一、二为td3300 11kw变频器，控制11kw电机，电机额定转矩为70n.m，ie=24.8a，两台收卷电机轮流工作。 （3）收卷条件      卷径变化范围：216～1500mm；      张力变化：200n～1800n；      减速比：43。      按照以上要求，计算出收卷时需要最小转矩为：      tmin =dmin×fmin/(i×1000)     　=216×200÷43÷1000＝1      变频器输出转矩为：1/70=1.45％      最大时变频器输出转矩与额定转矩之比为：      tmax=dmax×fmax/i/tn=89.7％；     按照计算出来的转矩变化，范围大，而且在最小转矩时，所需转矩太小，而td3300变频器，作开环张力控制时，实际上是转矩控制，转矩控制的精度比矢量变频器的速度控制要低得多，对变频器要求转矩最小输出达到10％以上，而且要求tmax/tmin最好小于7，从这一方面考虑，使用开环张力控制很难实现这种工况下的控制。综合分析现场的工况，因无法实现转矩控制，由于还装有一个张力传感器，可以考虑作速度模式下的张力闭环控制。 3 方案修改

（1）修改后的方案图      修改后的方案如图2所示。

            图2 修改后的方案

    速度模式下的张力闭环控制，为矢量变频器普通速度模式下作pid闭环控制，频率指令由pid输出调节量和同步匹配指令叠加构成，在此方案中，避免了因转矩变化范围过大而无法控制的局面，同时，由于频率指令由同步匹配指令和pid调节输出叠加，可以减少pid的调节量。 （2）同步匹配频率指令的计算方程式      f=(v×p×i)/(d×π)      v —材料线速度；      p —电机极对数；      i —机械传动比；      d —卷筒的卷径。 （3）变频器的运行频率      f1=f+δf      δf—pid调节输出量。 （4）卷径计算：厚度积分法     根据材料的厚度按照卷筒旋转的圈数进行卷径累加（收卷）或递减（放卷），因每层只有一圈，设定每层圈数为1，计圈的方法通过编码器（pg）获得，材料变化时，通过总线通讯由触摸屏直接修改材料厚度参数。 （5）线速度信号      通过前级牵引艾默生td3000变频器的ao1模拟端子输出信号给艾默生td3300变频器的ai2模拟输入端子，调整ao1的增益和零偏，保证模拟量和线速度的对应关系。 4 调试过程 按照系统设计接线完毕后，开始调试过程。

（1）张力反馈装置的调整      测试张力传感器的曲线，在调整之前，其传感器的输出范围0～2v，对应张力为0～2000n，考虑到其变化范围太小，不好控制，联系三菱公司的技术人员对传感器做了一定的调整。主要是扩大输出范围为0～10v对应0～2000n。 （2）速度信号一致性的调整             计算最大线速度：             lmax =n×d×π/(i×60)             =1470×0.3×3.14/(35×60)=40m/s             艾默生td3300变频器设置：             fc.03=40 m/s 最大线速度             艾默生td3000变频器设置：             f6.08=0 运行频率输出;             f6.10=-1.00％ ao1零偏;             f6.11=1.1 ao1增益。     适当调整艾默生td3000变频器的ao1输出零偏和增益，保证艾默生td3000变频器运行在50hz时，其ao1端子输出为20ma，通过艾默生td3300变频器ai2显示为10v，在零频运行时，艾默生td3300显示0v。由于考虑到系统需要进行点动控制（此时td3000不运行，只运行收卷变频器），设置ao1输出偏移-1.0％，使得在牵引三不运行的情况下，能保证收卷有较小的线速度输入，在全线启动前进行点动控制，将多余的布先卷起来。

（3）电机参数的自学习     系统中牵引、收卷变频器都为高性能的矢量控制变频器，为保证系统的控制精度和性能，在正常使用之前，要求要进行电机参数的自辨识，在做参数自辨识时，将电机所带的减速箱脱离。自辨识前电机参数设定如表1所示。

在设定完电机参数后，设定f1.09=1，f1.10=1进行调谐，调谐结果如表2所示。

 f1.16/f1.03=35.8％，在范围30％～50％以内，调谐结果正常。

（4）其他参数的设定      根据系统的方案，设定的参数如表（3～6）所示。基本参数设定如表3所示。

    设置加减速时间为1s，保证收卷变频器能够快速响应，及时跟踪牵引变频器的输出。同时，设置牵引艾默生td3000变频器的加减速时间为120s，使其变化比较缓慢，保证系统在加减速过程中的稳定性。张力控制参数设定如表4所示。

   　变频器工作在速度模式下的张力闭环控制，张力设定通过参数数字设定，也可以通过总线通讯由触摸屏直接修改此参数值。卷径来源采用厚度积分法，材料厚度为0.18mm，在后期根据材料的变化，再通过触摸屏修改此参数。过程pid控制参数如表5所示。

            通讯参数如表6所示

    整个系统通过总线通讯控制，变频器的起停信号、收卷之前的变频器的频率给定都由触摸屏设定，ppo模式选择为3。

（5）系统调试      在调试过程中,主要出现了两个问题,困扰了很长时间: ● 设置参数后，在运行过程中，每隔一段时间（大约3min）就出现一次很大的波动，张力值设定由稳定的4v跳到在0v～10v之间波动。首先怀疑的是pi参数没有调整好，反复地修改两组pi参数，包括采样时间ti、偏差极限，效果都不明显，无法解决问题。接下来怀疑设备的机械问题，和信远的朱工一起检查设备的机械情况，看是否有机械上面的原因，导致运行过程中出现周期性的波动，结果也是一无所获。后直接将采样时间设定为0，再次运行时，周期性的波动完全消除，观察了30min，系统都能稳定运行，证实此问题已经解决。设置为0代表的是实时采样，系统响应的速度更快。 ● 在低速运行正常后，一到大卷径高速阶段，就出现了收卷跟不上牵引的情况，导致材料松下来。出现这一情况时，重点检查了张力反馈、收卷变频器的参数设定，发现转矩限定设置为8％了，将此参数改为100％后正常。转矩限定设定为10％，那么在变频器运行到大卷径高速段后，出现变频器输出转矩到达限定值，无法满足负载转矩的需求，因而出现转速跟踪不上。而设定这一参数的原因是在开始试机时，为防止将布匹拉断，而实际的输出转矩基本在5％以下，因而设定转矩限定为10

 5 结束语     通过这一次的td3300调试，对艾默生td3300变频器各种控制的原理和调试方法有了一个深刻的认识，对自己技术水平的提高起了很大的作用，同样也对今后的调试工作有一个很好的指导作用。本方案在实际应用中取得了成功，为类似过程控制提供有益的经验。