张力控制变频收卷方案.docx
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张力控制变频收卷方案
张力控制变频收卷方案
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一.张力控制变频收卷在纺织行业的应用
1．传统收卷装置的弊端
纺织机械如：
浆纱机、浆然联合机等设备都会有收卷的环节。
传统的收卷都是采用机械传动，因为机械的同轴传动对于机械的磨损是非常严重的，据了解，用于同轴传动部分的机械平均寿命基本上是一年。
而且经常要维护，
维护的时候也是非常麻烦的,不仅浪费人力而且维护费用很高,给很多客户带来了很多不便。
尤其是纺织设备基本上是开机后不允许中途停车的，如发生意外情况需要停车会造成很大的浪费。
在这种情况下，张力控制变频收卷开始逐渐取代传统的机械传动。
2．张力控制变频收卷的优点
*张力设定在人机上设定，人性化的操作。
*使用先进的控制算法:
卷径的递归运算;空心卷径启动时张力的线性递加;张力锥度计算公式的应用;转矩补偿的动态调整等等.
*卷径的实时计算，精确度非常高，保证收卷电机输出转矩的平滑性能好。
并且在计算卷径时加入了卷径的递归运算，在操作失误的时候，能自己纠正卷径到正确的数值。
*因为收卷装置的转动惯量是很大的，卷径由小变大时。
如果操作人员进行加速、减速、停车、再启动时很容易造成爆纱和松纱的现象，将直接导致纱的质量。
而进行了变频收卷的改造后，在上述各种情况下，收卷都很稳定，张力始终恒定。
而且经过PLC的处理，在特定的动态过程，加入一些动态的调整措施，使得收卷的性能更好。
*在传统机械传动收卷的基础上改造成变频收卷，非常简便而且造价低，基本上不需对原有机械进行改造。
改造周期小，基本上两三天就能安装调试完成。
*克服了机械收卷对机械磨损的弊端，延长机械的使用寿命。
方便维护设备。
二.变频收卷系统构成
1．系统框图
2．变频收卷的控制原理
*卷径的计算原理：
根据V1=V2来计算收卷的卷径。
因为V1=ω1*R1,V2=ω2*Rx.因为在相同的时间内由测长辊走过的纱的长度与收卷收到的纱的长度是相等的。
即L1/Δt=L2/ΔtΔn1*C1=i*Δn2*C2（Δn1---单位时间内牵引电机运行的圈数、Δn2---单位时间内收卷电机运行的圈数、C1---测长辊的周长、C2---收卷盘头的周长、i---减速比）Δn1*π*D1=Δn2*π*D2/iD2=Δn1*D1*i/Δn2,因为Δn2=ΔP2/P2（ΔP2---收卷编码器产生的脉冲数、P2---收卷编码器的线数）.Δn1=ΔP1/P1取Δn1=1,即测长辊转一圈,由霍尔开关产生一个信号接到PLC.那么D2=D1*i*P2/ΔP2,这样收卷盘头的卷径就得到了.
*收卷的动态过程分析
要能保证收卷过程的平稳性,不论是大卷、小卷、加速、减速、停车、启动都能保证张力的恒定.需要进行转矩的补偿.整个系统要启动起来,首先要克服静摩擦力所产生的转矩,简称静摩擦转矩,静摩擦转矩只在启动的瞬间起作用;正常运行时要克服滑动摩擦力产生的滑动摩擦转矩,滑动摩擦转矩在运行当中一直都存在,并且在低速、高速时的大小是不一样的。
需要进行不同大小的补偿,系统在加速、减速、停车时为克服系统的惯量,也要进行相应的转矩补偿,补偿的量与运行的速度也有相应的比例关系.在不同车速的时候,补偿的系数是不同的。
即加速转矩、减速转矩、停车转矩、启动转矩；克服了这些因素,还要克服负载转矩,通过计算出的时实卷径除以2再乘以设定的张力大小,经过减速比折算到电机轴.这样就分析出了收卷整个过程的转矩补偿的过程。
总结:
电机的输出转矩=静摩擦转矩（启动瞬间）+滑动摩擦转矩+负载转矩.<1>在加速时还要加上加速转矩;<2>在减速时要减去减速转矩.<3>停车时,因为是通过程序控制减速至设定的最低速,所以停车转矩的补偿同减速转矩的处理.
*转矩的补偿标准
（1）静摩擦转矩的补偿:
因为静摩擦转矩只在启动的瞬间存在,在系统启动后就消失了.因此静摩擦转矩的补偿是以计算后电机输出转矩乘以一定的百分比进行补偿.
（2）滑动摩擦转矩的补偿:
滑动摩擦转矩的补偿在系统运行的整个过程中都是起作用的.补偿的大小以收卷电机的额定转矩为标准.补偿量的大小与运行的速度有关系。
所以在程序中处理时，要分段进行补偿。
（3）加减速、停车转矩的补偿：
补偿硬一收卷电机的额定转矩为标准，相应的补偿系数应该比较稳定，变化不大。
*计算当中的公式计算
（1）已知空芯卷径Dmin=200mm,Dmax=1200mm;线速度的最大值Vmax=90m/min,张力设定最大值Fmax=50kg（约等于500牛顿）;减速比i=9;速度的限制如下:
因为:
V=π*D*n/i（对于收卷电机）=>收卷电机在空芯卷径时的转速是最快的.所以:
90=3.14*0.2*n/9=>n=1290r/min;
（2）因为我们知道变频器工作在低频时,交流异步电机的特性不好,启动转矩低而且非线性.因此在收卷的整个过程中要尽量避免收卷电机工作在2HZ以下.因此:
收卷电机有个最低速度的限制.计算如下:
对于四极电机而言其同步转速为:
n1=60f1/p=>n1=1500r/min.=>2HZ/5HZ=N/1500=>n=60r/min
当达到最大卷径时,可以求出收卷整个过程中运行的最低速.V=π*D*n/i=>Vmin=3.14*1.2*60/9=25.12m/min.张力控制时,要对速度进行限制,否则会出现飞车.因此要限速.
（3）张力及转矩的计算如下:
如果F*D/2=T/i,=>F=2*T*i/D对于22KW的交流电机,其额定转矩的计算如下:
T=9550*P/n=>T=140N.m.所以Fmax=2*140*9/0.6=4200N.
*硬件配置
西门子PLC+艾默生TD3300变频器+HITECH人机
*PLC接线图
3．程序的实现
钢帘线专用矫正机的电气控制
2010-01-2513:
20:
36 来源：
wireunion资讯部
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钢帘线生产过程中会产生一些残余扭转应力超标的帘线，时效或者重卷仅能消除部分残余扭转应力，而当帘线残余扭转应力比较大、甚至平直度不好时则需要通过专用的钢帘线矫正机来消除。
1. 矫正机工作机制
矫正机系统构成如图1所示。
图1 矫正机系统组成
工作转盘、牵引轮、收线工字轮分别由3个电机单独驱动。
当工作转盘开启旋转时，A点可视为定点，即帘线围绕A点旋转，以去除帘线的残余扭转应力，矫直器矫正帘线的平直度，主要工艺实现6/0.25，6/0.5，6/0.75，6/1，6/1.25，6/1.5共6种正负向残余扭转应力的矫正。
因结构紧凑，没有采用张力摆杆，收线使用转矩控制方式跟踪系统转矩的变化。
1.1 扭转应力消除机制
根据残余扭转应力定义，可得出
N过捻=Z/（6×υ牵引）
（1）
式
（1）中：
N过捻——转盘电机转速；
Z——残余扭转应力比例值；
υ牵引——牵引线速度。
υ牵引=K×π×D牵引×N牵引
（2）
式
（2）中：
K——常数；
D牵引——牵引卷筒直径；
N牵引——牵引电机转速。
将式
（2）代入式
（1），得出转盘电机与牵引电机的转速关系，见表1。
表1 转盘电机与牵引电机的转速关系
序号
Z
传动比（×1000）
1
6/0.25
270
2
6/0.5
540
3
6/0.75
810
4
6/1.0
1079
5
6/1.25
1349
6
6/1.5
1617
1.2 收卷机制
收卷电机转矩=负载转矩+滑动摩擦转矩+加减速转矩+静摩擦转矩。
负载转矩M=FD/2。
其中F为帘线张力，D为实时卷径。
静摩擦转矩只在启动瞬间存在，系统启动后即消失，如不补偿，会出现启动瞬间张力偏松的现象。
滑动摩擦转矩在系统运行的整个过程中都是存在的，其大小与运行速度有关，由于本系统滑动摩擦转矩较小，可将其视为一恒定值进行处理。
加减速转矩
M=GD2×Δn/375t （3）
由式（3）可知，系统加减速时的惯量转矩很大，如不加以补偿，将出现系统加速时收卷张力偏小，减速或停车时收线张力过大的现象，在程序中近似以负载转矩的百分比给出。
可得出最终转矩给定值
M=（1+Ka–Kb+Kc）×[1–Kd（1–D0/D）]×F×D/2 （4）
式（4）中：
Ka——加速惯量补偿系数；
Kb——减速惯量补偿系数；
Kc——静摩擦转矩补偿系数；
Kd——张力锥度系数；
D0——空芯卷径。
2. 系统控制
牵引电机由变频器驱动，收线与工作转盘电机由矢量型变频器驱动，电机尾端加装编码器，配制PLC和人机界面，整个控制系统如图2所示。
图2 控制系统图
程序由5部分组成。
（1）通信程序：
完成通讯端口及通讯参数的初始化，采用轮询方式实现对所有变频器的启停控制及数据采集与设定。
（2）计米程序：
控制收线米长，实现二次减速停车。
（3）转矩给定：
计算收线电机给定转矩，跟踪系统转矩变化。
内含卷径计算子程序及转矩补偿子程序，根据实时卷径值，算出负载转矩；由通讯采集的实时转速，可判断牵引电机所处的各个状态（启动、加速、减速状态），再根据状态对收线电机输出转矩进行补偿，实现转矩的跟踪控制，完成帘线收卷。
（4）矫正程序：
根据工艺选择的配方，实现工作转盘电机与牵引电机的比例运行，完成帘线的矫正。
（5）逻辑控制程序：
完成开关量的控制，实现报警输出。
转矩给定程序框图如图3所示。
图3 转矩控制程序框图
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