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中船重工718所 馬洪
1、 引言
卷取是一種常見的控制系統，廣泛應用于造紙、印刷、染織等生產過程中的后續工作，以制成半成品或成品卷筒物。卷取的方式常見的有2種:摩擦卷取和中心卷取。前者對機械的要求復雜，而且卷取的效果受摩擦輥的影響很大，包括物料的光澤度、端面情況、松緊度等都會在卷取工藝中變差。后者在機械程度上很簡單，卷取時只受到自重的影響，卷取的效果自然好許多，然而長期以來中心卷取的控制系統只能在直流控制或磁粉控制二者中進行選擇，控制的成本很難降低。如何降低收卷系統的控制成本呢？很多人都會想到交流變頻器，的確交流變頻調速技術以其卓越的調速性能、顯著的節電以及在國民經濟領域的廣泛適用性，而被公認為是一種最有前途的調速方式。直流調速系統在電機傳動的發展史上占有重要的地位，但由于直流電機存在維護難、抗環境能力差等原因，到了目前已嚴重制約了設備整機的性能價格比。而變頻調速技術能最大程度上發揮了交流電機本身固有的優點(結構簡單、堅固耐用、經濟可靠、動態響應好等)，再加上變頻調速理論業已形成一門相對獨立的學科，變頻調速技術的全面應用時代已經到來。
2、 分紗落筒機中心放卷的變頻控制
分紗落筒機是針織牛仔、牛仔面料或牛仔繡花生產中的關鍵設備。白色紗線經過靛藍染色，形成的束狀紗線，經過分紗整經機整經，退繞在7—8個軸盤上，每盤上形成片狀40-50根的紗線，分紗落筒機就是將每盤上形成片狀40-50根的紗線，以放卷形式單根地均勻地卷繞成40-50個筒子紗。因為有以下幾個原因：1紗線張力非常小，由其是單根紗線張力。2退繞軸盤在滿軸時半徑很大，大約在800mm-1000mm。3退繞軸盤加上紗線的重量很大，它動態慣性和靜態慣性較大。所以在中心放卷的過程中，隨著卷徑的不斷減小，放卷電機的速度必須不斷增大，同時又要保證的紗線張力相對平穩，由其是加減速的過程中，以防止紗線的纏繞或繃斷。對于放卷系統而言，進行張力控制是核心技術，也是變頻調速的難點。目前，在中心卷取中最常用的是以下2種控制方式:
(1)、速度控制卷取(SPW)，用PID通過測力傳感器的張力反饋，或調節輥的位置反饋，
來修正速度給定;
(2)、電流控制卷取(CPW)，用PID調節張力給定，這一類型的控制一般是開環的。
對如此復雜的張力控制系統，變頻技術必須能克服以下4個技術問題:
(1)、將復雜的交流異步電機的數學模型簡單化;
(2)、考慮到張力反饋信號的延后和超調;
(3)、將卷繞張力控制過程的動態參數描述成時變函數;
(4)、保證張力或轉矩閉環的抗波動能力高和即時調節性好。
通常情況下，具有張力控制的變頻控制系統，是建立在對變頻器、電機和張力對象的數學模型研究的基礎上，它包括Ud/Id之間的傳遞函數、Id/M之間的傳遞函數、轉矩M～轉速n之間的傳遞函數、控制電壓Uk～變頻器輸出電壓Ud之間的傳遞函數、物料張力的動態數學模型。在一般情況下，張力專用的變頻器由直徑、轉矩補償和速度計算等模塊組成。
3、 TD3300變頻器的收放卷控制功能
TD3300張力控制專用變頻器是艾默生網絡能源有限公司的最新產品，它具有TD3000矢量變頻器的所有高性能，同時又可實現張力閉環控制和張力開環控制，以滿足各種卷取和放卷要求。
A：(1)各種卷徑的計算，包括線速度計算、繞圈計算、模擬設定、上位機給定等;(2)卷徑模擬輸出，實現人機友好交互功能;(3)多種線速度測量方式，包括脈沖輸入、模擬輸入、數字輸入等;(4)實現張力錐度的設定;(5)實現轉矩補償的功能，如彎曲力矩補償、靜態力矩補償、慣性力矩補償等;(6)具有自動換卷邏輯功能，實現在線換卷功能。
B：TD3300張力控制變頻器的4種張力控制方式
(1)張力閉環控制(需要張力傳感器、增加成本、控制精度最高);
(2)間接張力控制一(需要卷徑傳感器、增加成本、控制精度較高);
(3)間接張力控制二(成本較低、控制精度較高);
(4)間接張力控制三(成本較低、控制精度差)。
此四種方案的配置主要是考慮系統的張力控制精度要求、系統的成本要求等，用戶可以根據實際情況決定采用哪種張力控制方式。
C：4種張力控制原理和應用
(1)、張力閉環控制
對于張力控制精度要求較高的場合，如軋卷染色機，它需要通過張力檢測輥的輸出張力信號來構成張力閉環控制，對于變頻器來說采用速度控制方案和PID
閉環控制。
(2)、間接張力控制一 它通過卷徑傳感器測量的卷徑模擬信號進入變頻器的模擬輸入口，而變頻器則根據測量的卷徑進行張力控制。這里，卷徑是通過測量而不是通過計算而得，因此張力控制的精度相對較高。分紗制筒機就采用這種方式。
(3)、間接張力控制二 在線速度可以檢測的場合，可以采用此法，通過檢測到的線速度及電機角速度計算卷徑，從而控制張力。通常應用在如干式復合機、拉幅定型機、漿紗機等收卷系統中。
(4)、間接張力控制三
當對張力的控制精度要求不高，卷繞材料的厚度已知且變化不頻繁的情況下，可以采用厚度累積法計算卷徑，實現間接張力控制。
4、 系統方案介紹
本系統中選用了經濟而實用的間接張力控制一：即張力閉環控制方案1（速度模式） （F3.06=1），通過調節電機轉速達到張力恒定。采用此模式。同步匹配頻率指令的計算
方程式：Ｆ＝(v×p×i)／(π×D) 。
首先由紗線的線速度和紗軸的當前卷徑實時計算出同步匹配頻率指令，然后通過張力檢測裝置反饋的張力信號（F7.02反饋量輸入通道選擇），以張力設定值（F8.01=0 數字設定）構成PID閉環，調整變頻器的頻率指令。紗線線速度由前一級線速度檢測模塊獲得，即送紗輥電機的線速度，通過AI1口進入變頻器TD3300，卷徑應選用外部卷徑傳感器，卷徑信號通過模擬輸入口AI2輸入，模擬輸入對應0~最大卷徑（F8.09）。在此方案中，保證比較準確的同步匹配頻率指令可以減少PID調節器的調節量，使系統更穩定，也就是線速度的檢測的正確性比較重要。
由于我們對TD3300張力控制專用的矢量型變頻器的深刻了解和認識，結合我們在紡織專業上的豐富經驗,使分紗落筒機放卷系統的設計非常成功，車速可達350-450m/min,而且系統非常穩定可靠。目前已為廠家生產二十余套，該設備已成為廠家生產針織牛仔紗，靛藍關鍵繡花紗的關鍵設備，該設備為廠家創造了巨大的產品附加值。非常值得在紡織行業推廣應用。
系統應用圖如下所示：
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