·引言
大部分使用拉絲機的國內金屬加工企業來說，對變頻調速器并不陌生，這是因為變頻調速器很早之前就有在拉絲機械中得到廣泛應用，但大多配置的都是國外品牌的變頻器，原因是國內變頻調速技術的研發與市場推廣起步較晚，在一段時間內落后于國外變頻器產品，無論從軟件控制算法的先進性，還是從硬件平臺的穩定性上來講，都有一定的差距。
國產變頻行業經過十幾年的發展，技術與市場推廣都得到了長足的進步，所研制開發的產品也能夠勝任絕大部分工業現場的需要。針對拉絲機械的應用特點，深圳市英威騰電氣有限公司自主開發研制的Invt系列變頻器，集矢量控制技術（VC、SVC）、轉矩控制技術、V/F控制技術于一體，同時，設計了便于收線使用的同步控制功能和張力控制功能，真正全面解決了拉絲機的控制需要，從而打破進口品牌一統天下的局面。
·拉絲機工藝簡介
拉絲機，又名牽伸機。從產品終端來說，拉絲機可以分為大拉機、中拉機、小拉機、微拉機；從拉絲機內部控制方式和機械結構來說，又可以分為水箱式、滑輪式、直進式等主要的幾種。對于不同要求，不同精度規則的產品，不同的金屬物料，可選擇不同規格的拉絲機械。對電線電纜生產企業，雙變頻控制的細拉機應用比較廣泛，相對而言，其要求的控制性能也較低，而對大部分鋼絲生產企業，針對材料特性，其精度要求和拉拔穩定度高，因此使用直進式拉絲機較多。盡管拉絲工藝不同，但其工作過程基本相同（如下圖）：
·放線： 金屬絲的放線，對于整個拉絲機環節來說，其控制沒有過高的精度要求，大部分拉絲機械，放線的操作是通過變頻器驅動放線架實現的，但也有部分雙變頻控制的拉絲機械，甚至直接通過拉絲環節的絲線張力牽伸送進拉絲機，實現自由放線；
·拉絲： 拉絲環節是拉絲機最為重要的工作環節。不同金屬物料，不同的絲質品種和要求，拉絲環節有很大的不同，文章的后面將詳細說明水箱式拉絲機與直進式拉絲機具體操作過程；
·收線： 收線環節的工作速度決定了整個拉絲機械的生產效率，也是整個系統最難控制的部分。在收線部分，常用的控制技術有同步控制與張力控制實現金屬制品的收卷；
下面，將以雙變頻控制水箱式拉絲機與多變頻同步控制直進式拉絲機為例，介紹我公司產品在拉絲機行業的應用。
1、江蘇某拉絲機廠細拉機雙變頻控制
1.1 系統主要參數
1.2 細拉機雙變頻控制原理
系統為塔輪式水箱拉絲機。塔輪式水箱拉絲機，通過塔輪的速比，逐步拉伸金屬絲，并允許金屬絲在塔輪內打滑，因此，加工的金屬絲必須韌性較好。此種拉絲機加工銅絲的場合應用較多。主機采用CHE100開環矢量變頻器（CHE100-004G/5R5P-4），收卷采用CHF100高性能V/F控制變頻器（CHF100-1R5G-4）。兩臺電機用同一個運行信號K1，并在收卷的運行信號上并聯一個開關量信號K2。因為主機的減速時間較長（30s），收卷減速時間很短（0.1s），保證在有停機命令時，收卷變頻器還可正常運行。其并聯的運行信號K2由主機的集電極輸出Y控制一個
中間繼電器給定。電氣原理圖如圖2所示：
1.3 速度同步控制
主控操作開關K1控制主機啟停。牽引拉伸級
變頻器控制整個系統的運行線速度，控制面板上的電位器發出主機拉絲速度信號，此模擬電壓信號（0~10V）通過AI1口輸入拉絲機主變頻器，作為其頻率給定，決定伸線機總車速。同時，拉絲主變頻器的運行頻率，通過模擬量（AO）輸出到收卷變頻器（AI2），作為收卷變頻器線速度同步給定。注意，對于收卷變頻器所對應的運行頻率應該等于收卷輪徑最大時的運行頻率。卷曲級變頻器輸出頻率跟隨拉絲級變頻器運行頻率變化，考慮到設備機械特性、一定的速度要求,主機加減速時間設定為30s，收卷變頻器加減速時間設定為0.1s。
在拉絲機出線端與收線端之間安裝有張力擺桿，用來檢測輸出金屬絲的張力，作為拉絲收線張力信號反饋輸入收卷變頻器，收卷變頻器將此反饋量通過內部PID運算和各種補償后，與收卷的當前同步速度（模擬量AI2輸入）進行疊加，調節變頻器的輸出頻率，從而控制收卷電機轉速相對拉絲機出絲線速度達到同步，同時，也使線材張力保持了恒定。
1.4 變頻器主要功能參數設置
1.4.1 主機變頻器（CHE100-004G/5R5P-4）
P0.01：1 端子指令通道；
P0.03：1 AI1給定；
P0.08：30 加速時間；
P0.09：30 減速時間；
P6.00：1 正轉運行中；
P6.01：3 故障輸出；
1.4.2 收卷級變頻器（CHF100-1R5G-4）
P0.03：1 外部端子運行
P0.07：0.1 加速時間
P0.08：0.1 減速時間
P3.01：6 PID控制
P3.02：1 AI2設定
P3.04：2 A+B
P5.17：43 AI2上限對應設定
P9.01：50 PID給定值
P9.03：1 PID為反特性
P9.04：10 比例增益
P9.05：1.0 積分時間
其他詳情參見《CHE系列矢量變頻器說明書》、《CHF通用變頻器說明書》。
2、杭州某拉絲機廠直進式拉絲機變頻控制
2.1直進式拉絲機簡要說明
在金屬制品生產及加工中，直進式拉絲機是最常用的一種制造設備，在以前通常都采用電動機組及力矩電機來實現，但其控制的靈活性、自動化程度及能耗上，傳統的控制方式越來越不適應行業的發展。隨著控制技術和變頻調速技術的大量推廣，變頻控制開始在直進式拉絲機中大量使用，系統并可借助PLC來實現拉絲速度、品種設定、過程閉環控制、定長控制等功能。
直進式拉絲機，是由多臺拉伸電機同時對金屬絲進行拉伸，作業的效率很高。由于不銹鋼金屬絲特性比較生脆，且不允許鋼絲在模道內打滑，因此容易在拉伸的過程中拉斷，故嚴格要求金屬絲在各級模道中線速度同步，這樣，對各級電機的同步控制性能、速度穩態精度以及電機的動態響應的快慢都有較高的要求。
2.2 控制系統的描述
杭州某拉絲機廠，為專業的直進式拉絲機生產廠家。簡易電氣控制示意圖如下，本系統共使用五臺CHV100-015G-4高性能矢量變頻器實現拉伸部分的傳動控制，一臺CHV100-7R5G-4高性能變頻器配備張力控制卡進行收卷控制。每個模道前面都裝有擺臂，采用位置傳感器可以檢測出擺臂的位置，用于檢測金屬絲的張力，該信號（0~10V）作為PID的反饋。6臺電機都采用變頻異步電機，同時帶有機械制動裝置。拉絲機系統的邏輯控制較為復雜，因工藝不同也有所區別，各級聯動，由PLC控制。同步方面的控制則由變頻器內部控制，其工作原理是：根據操作工在面板設定決定作業的速度，該速度的模擬信號進入PLC，PLC考慮加減速度的時間之后按照一定的斜率輸出該模擬信號。這樣做的目的主要是滿足點動、穿絲等一些作業的需要。PLC輸出的模擬電壓信號同時接到所有變頻器的AI2輸入端，作為頻率的主給定信號。各擺臂位置傳感器的信號接入到對應的模道變頻器作為PID控制的反饋信號。根據擺臂在中間的位置，設定一個PID的給定值。這個系統是非常典型的帶前饋的PID控制系統，一級連一級，PID作為微調量與主給定作為疊加。
本拉絲系統的穩定狀況在很大程度上取決于PID作用速度、變頻器控制電機的轉速精度、輸出轉矩的響應速度等，為了提高電機運行速度的穩態精度，在很多情況下也采用有PG矢量控制技術（英威騰的CHV100系列變頻器的有PG矢量控制的穩態精度可達1/1000）來調節拉伸電機的速度，因此對其參數的設定必須考慮周全，在低速、中速、高速，以及加速和減速速等情況都需要加以考慮。
另外，收卷部分，是由CHV100加張力控制專用模塊來實現的。收卷線速度是由最后一級（第五級）模道控制變頻器提供，作為卷徑計算的線速度信號。系統的張力可通過
電位器設定，收卷級變頻器采用轉矩控制，需要在收卷電動機的軸上安裝編碼器，編碼器接入CHV100內置的PG卡，作為電機轉速的采集輸入。
其控制原理如下：
通過收卷的當前線速度（模擬量AI2輸入），計算出當前收卷的卷曲直徑。
計算方程式如下：D =（i×N×V）/(π×f)
其中 i 機械傳動比 N 電機極對數 V 線速度 f 當前匹配頻率
由設定的張力和卷筒的卷徑（由線速度卷徑計算模塊獲得）計算出變頻器的輸出轉矩。
計算方程式為：T =（F×D）/（2×i）
其中：T 變頻器輸出轉矩 F 張力設定
D 轉筒的轉徑 i 機械傳動比
從而控制電機輸出相應的轉矩，達到線材上張力F的恒定。
CHV100張力控制專用模塊中，增加了轉動慣量補償，可以很好地解決張力控制系統在加、減速的過程中，因克服系統慣量而出現的張力不穩定的現象。
整個拉絲系統開動時，六臺變頻器同時起動，逐漸調節線速度給定，使系統加速，最終達到要求的生產線速度。
五級拉絲控制示意圖
2．3變頻器主要參數的設置
2．3．1拉絲變頻器
P0.01 1：端子指令通道
P0.03 6：PID控制設定
P0.04 0：模擬量AI2設定
P0.06 2：A+B
P9.00 0：鍵盤給定
P9.02 0：模擬通道AI1反饋
P0.03 依據實際情況進行設定
P0.04 依據實際情況進行設定
P0.05 依據實際情況進行設定
P0.06 依據實際情況進行設定
采樣周期T（P0.07）、PID控制偏差極限（P0.08）、PID輸出緩沖時間（P0.08）均依據實際情況進行設定。
2．3．2收卷變頻器
P0.00 1：有PG矢量控制
P0.01 1：端子指令通道
P1.08 1：自由停車
P3.10 PG參數（編碼器線數，以實際情況為依準）
P5.02 1：S1端子功能選擇：正轉運行
PF.00 1：無張力反饋轉矩控制
PF.01 0：收卷模式
PF.04 最大張力設置（以實際情況為依準）
PF.05 1：模擬量AI1作為張力設定
PF.11 機械傳動比（以實際情況為依準）
PF.12 最大卷曲直徑
PF.14 卷軸直徑
PF.18 0：線速度法計算卷徑
PF.22 最大線速度（以實際情況為依準）
PF.23 2：模擬量AI2作為線速度設定源
PF.33 系統慣量補償系數（以實際情況為依準）
其他詳細情況請參閱《CHV矢量變頻器說明書》及《CHV張力控制功能說明書》。
·總結
在拉絲機的控制上，英威騰變頻器構成的電氣控制系統，結構簡單、邏輯清晰，成本與原來相比還有較大的降低，而且，在拉絲工藝，節能上來講，都是非常優良的方案。實踐證明，上述兩種控制方案，分別控制水箱式拉絲機與直進式拉絲機上，在同步和恒張力收線控制上完全能夠滿足工藝要求。
·參考文獻
《CHV系列矢量變頻器說明書》
《CHE系列矢量變頻器說明書》
《CHF通用變頻器說明書》
《CHV矢量變頻器選配件（卡）使用說明書》
