变频器在成绳机收线改造中的应用

张星云 贵州钢绳股份有限公司

一、问题的提出

对收线系统的改造是我们设备人员多年来的一种追求，我车间8x1600 和8x1250 成绳机，在1997 年用可控硅直流控制系统分别取代了原德式发电机组，这大套整流控制系统在2006 开始频繁发生故障，经过认真检查发现是电流调节控制板上的部分元件失效，但是已经无法购买此类调节板，只有将整个电源和调节控制部分全部改造，因此造价较高。经过分析比较，决定采用价格相对经济、运行稳定可靠的变频调速方式来改造。

二、对解决方法的探讨

1.摸索改造阶段

运用变频器恒转矩特性改造成股绳机收线系统，2003 年就在12x500 股绳机上已经成功应用。后又在其它股绳机和所有成绳机（除8x1600 外）以及新安装机台上得以推广应用。

变频技术在8x1600 成绳机上的改造可谓一波三折，2005 年至2007 年上半年我们将其它机台的成功改造控制技术移植到这台机器，在生产普通钢绳时基本能满足生产，可在生产一些特殊钢绳（如四股绳、镀锌涂塑绳）时就不能正常生产，钢绳在牵引轮上总是会打滑引起瓦口处小捻距产生，甚至根本开不正常，先后经过八次反复试验都未成功。

2.前几次失败原因分析

改造失败原因到底是什么因素引起？为什么在其它股绳机和成绳机上改造可以正常运行，而只在8x1600 成绳机改造不能实现呢？为什么采用同样的控制方式生产普通钢绳可以满足，而生产特殊绳就不能正常生产呢？经认真对比分析，原因有以下两种：

（1）与设备牵引结构有关，因为除了8x1600 成绳机外，没有一台成股绳机采用双牵引轮单驱动方式，也就是说只有主动轮带动力。

在生产普通钢绳时，收线系统单靠主动轮的摩擦力就可以满足需要。可是在实际生产中，设计生产φ110mm 的钢绳槽用来生产直径30mm 或更小的钢绳，本身摩擦力就不够，再加上新的工艺要求，定径辊的压力要求特别大，如φ28mm 的四股绳和φ88mm 镀锌涂塑绳（绳径超差情况）。这样就在生产过程中为收线控制系统提出了很高的要求，既要求速度精度高，又要求有很好的稳定性，同时还要求收线有很大的张力，才能使钢绳在牵引轮上不因为打滑引起瓦口处小捻距产生。

（2）与开环控制方式有关系

开环转矩控制方式，没有依靠电动机的速度反馈信号，直接用电位器给定电压信号到变频器，变频器输入一个相应的力矩到电动机。系统运行在低频区域时,其性能不够理想,当主机重新启动时，收线电动机由堵转状态变为运行状态时动态响应速度就跟不上，使得牵引轮和收线轮之间的钢绳就会松弛，在生产部分特殊产品时就不能满足生产。

因为牵引结构原因，要求收线张力系统精度非常高，要求收线电机在设备启动、运行和停止整个过程中必须一直保持恒张力（绷紧）状态，保证钢绳的捻距在生产工艺所规定的误差范围内，并且在主机启动时的动态响应速度特别快，同样采用原来的开环转矩控制方式特性就达不到。

3.重新改造试验阶段

在2007 年9月份又重新采用以下两种方法改造试验：

（1）采用1998 年才成熟的直接转矩控制方式，变频器依靠测量电机电流和直流电压作为自适应电机模型的输入。该模型每隔25μs 产生一组精确的转矩和磁通实际值，转矩比较器和磁通比较器将转矩和磁通的实际值与转矩和磁通的给定值进行比较，以确定最佳开关位置。进而调整电机的转矩和磁通，以达到精确控制的目的。

首先用变频器分别驱动主机和收线电机做实验。电机配有旋转编码器与变频器形成闭环控制模式，变频器配有通讯卡与PLC通过网络通讯连接，PLC 可以通过网络直接读取电机的运行参数参与运算，触摸屏手写参数输入，收线电机采用闭环力矩控制模式，在整个过程中收线半径（卷径）会越来越大，所以要求收线力矩越来越大。

在PLC 程序中首先通过输入捻距与主机转速相乘计算出钢绳线速度，根据线速度相等的原理，我们计算出卷径，然后算出实际需要的力矩，再加到收线电动机上实现张力自动调节，系统控制过程是全自动控制。

本次试验先进行了空车试验，检查了整个通讯网络的工作情况，检查了变频器闭环工作情况，系统启停运行正常。

带载试验时，分别试验了2 种比较有代表性的绳子，按照正常生产的要求进行设定，设备运行正常，试验数据如下：

（2）考虑到实际操作过程中可能会出现误操作，于是我们考虑不用触摸屏手写参数输入，主电动机反馈信号也不参与运算，直接运用所选变频器的特有性能，只利用收线电动机编码器反馈信号来提高响应速度和精度。

用速度控制环和转矩控制环分开控制，在速度控制环采用固有频率控制，在转矩控制环采用电位器外部张力调节，内部转矩闭环控制，这样张力在0%-300%范围内可以任意手动调节。

这次试验，其精度在原来开环控制的基础上提高了15%。但达不到触摸屏输入、PLC 运算、主机收线变频器控制和编码器反馈控制的稳定性和控制精度以及动态响应速度。在开小吨位的钢绳时没有什么问题，需要开30 吨以上的钢绳时必须要靠挂收线减速箱的挡位来实现，也就是加大收线传动比，这时收线的轮的动态响应速度就减小，满足不了收大吨位的要求。

为了提高第二方法的稳定性、控制精度和动态响应速度，我们充分利用了变频器的速度控制和转矩控制特性，通过PLC 控制方便灵活的特点作如下改进：

利用变频器速度控制特性“较硬”的特点，在主机启动时首先由PLC 给定收线变频器一个速度控制信号，以加快收线轮动态响应速度，避开转矩控制的速度“死区”，主机启动一定时间后PLC 自动转换到力矩控制模式，就能正常收线运转。

4.比较实施阶段

采用以上两种改进后控制方式，在主机启动、运行和停止整个过程中，收线都能保持恒定张力，其控制精度、稳定性和动态响应速度都达到理想效果，不同规格产品实验效果一致，比直流系统更稳定可靠。

两种控制方式在2007 年9 月份和10 月份经过多次试验，都获得成功。通过比较，选用第一种控制方式，有优点也有许多缺点。

优点：参数输入准确后能实现自动调节。

缺点：一是需要生产人员通过触摸屏输入产品捻距和绳径以及收线轮卷径的宽度，这对生产人员要求很严格，不能出差错；二是控制程序较复杂，维护也较困难；三是需要触摸屏和主机编码器参与运算，改造费用投入较高。

第二种控制方式，控制方式比较简单、价格经济、实用性更强。于是决定采用改进后第二种控制方式来改造。在2007 年12 月份已经成功改造完毕。

5.改造效果

在改造安装并调试完后，生产的第一件产品就是比较特殊的四股绳，这种钢绳由于定径辊的压力要求特别大，在前几次应用在其它机台已经成熟的改造方法来试验，遇到此类钢绳生产都无法正常进行，这次改造完成后顺利的生产完毕第一件特殊绳，直到今天生产的任何结构钢绳都没有遇到什么问题。

三、结束语

选用适合的变频器，充分利用变频器的各种特性，再通过PLC 实现控制方式的自动转换，完全能取代原直流调速系统。经过先后不断的探索和努力，最终使变频控制技术在8x1600 成绳机收线系统的改造中得以成功应用。