圖1 卷染機(jī)設(shè)備外觀
隨著變頻器矢量控制技術(shù)的日趨成熟，通過變頻器轉(zhuǎn)矩控制功能控制異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩，使得異步電機(jī)能夠取代原有的直流調(diào)速電機(jī)，應(yīng)用于張力控制系統(tǒng)。本文介紹的雙變頻卷染機(jī)施耐德電氣解決方案就是通過變頻器轉(zhuǎn)矩控制調(diào)節(jié)張力的典型實例。
雙變頻卷染機(jī)是一種間歇式平幅染色設(shè)備，用于布匹的染色處理，屬于染整工序的前道工序，按照運(yùn)行的環(huán)境分為常溫常壓型和高溫高壓型。卷染機(jī)染缸內(nèi)安裝有兩根卷繞軸，卷繞軸按照一定的工藝要求（包括溫度，道數(shù)，速度，張力等）將軸上的布匹通過染缸里的染液進(jìn)行染色（邊卷邊染），從而達(dá)到一定的染色效果，染色是否均勻以及是否對布匹有損傷都取決于兩根卷繞軸的運(yùn)行情況。設(shè)備外觀如圖1所示。
如圖2卷染機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖所示，該設(shè)備傳動部分主要通過變頻器控制A、B兩個卷繞軸（卷布）按照設(shè)定的速度和要求的布面張力運(yùn)行，運(yùn)行中要求布匹的張力始終保持一致，不能出現(xiàn)波動。如果張力波動的話，就會容易導(dǎo)致卷繞過程中布匹出現(xiàn)皺褶，這樣在高溫高壓環(huán)境下布面就會變形受損；同時布面的線速度也要保持不變，這樣才能保證布面單元面積受力相同，在染液里染色的時間相同，避免出現(xiàn)染色不均勻現(xiàn)象。可以看出，該設(shè)備控制系統(tǒng)要求控制收卷、放卷軸實現(xiàn)布匹恒線速度與恒張力運(yùn)行。
施耐德電氣傳動系統(tǒng)的解決方案
如圖3配置方案及系統(tǒng)架構(gòu)所示，本系統(tǒng)以施耐德電氣高端小型PLC M238作為控制器，該控制器內(nèi)置CANopen通訊總線主站端口，無需擴(kuò)展總線模塊，通訊速率可達(dá)1M；同時集成有兩個串行通訊接口，通過串行接口連接人機(jī)界面用于配方數(shù)據(jù)及參數(shù)的設(shè)定顯示。兩臺ATV71標(biāo)準(zhǔn)型變頻器分別驅(qū)動A、B卷繞電機(jī)，通過編碼器反饋信號實現(xiàn)速度閉環(huán)磁通矢量控制，保證快速響應(yīng)速度和精度。同時通過變頻器內(nèi)部變量實現(xiàn)A、B卷繞軸卷繞圈數(shù)計算。變頻器的速度給定、轉(zhuǎn)矩給定和運(yùn)行命令及變頻器的狀態(tài)、電流等數(shù)據(jù)均通過CANopen總線PDO來傳輸，實現(xiàn)快速傳輸動態(tài)數(shù)據(jù)變化，保證張力控制和速度控制精度；溫度傳感器的模擬量信號接在變頻器的模擬量輸入端子上，PLC通過總線讀取模擬量輸入的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算（通過變頻器的內(nèi)部通訊字傳輸給PLC）。兩臺ATV71變頻器采用直流共母線的方式連接，保證同步和能量共享。
圖2 卷染機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
控制要點的實現(xiàn)
1. CANopen總線的配置
創(chuàng)建PLC項目；添加CANopen總線管理模塊；雙擊總線管理模塊，設(shè)定總線通訊波特率；添加ATV71變頻器從站并設(shè)定從站通訊參數(shù)；選擇添加相應(yīng)的PDO數(shù)據(jù)包，包括編碼器計數(shù)器、溫度模擬量信號、速度給定值、運(yùn)行命令、變頻器狀態(tài)等。
2. 恒線速度與恒張力控制功能的實現(xiàn)
為了實現(xiàn)運(yùn)行過程中布面張力和速度保持不變，放卷變頻器采用轉(zhuǎn)矩控制方式，收卷變頻器采用速度控制方式，處于放卷的變頻器需要用到變頻器的轉(zhuǎn)矩控制功能塊，在該功能塊中配置相應(yīng)的參數(shù)。然而反復(fù)卷繞染色的過程中，收卷、放卷功能是交替變化的（并非絕對的），當(dāng)布料從放卷軸完全卷繞到收卷軸以后要切換運(yùn)動方向，此時放卷軸變成收卷軸，收卷軸變成放卷軸，實現(xiàn)布匹來回卷繞。
ATV71變頻器的運(yùn)行模式可以通過CANopen總線切換，布面反向卷繞時，只需要修改變頻器控制命令字的相關(guān)位的狀態(tài)，就能實現(xiàn)速度模式和轉(zhuǎn)矩模式的實時切換。通過正負(fù)靜帶參數(shù)的設(shè)置能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)矩/速度控制的自動切換，有效防止飛車或損壞設(shè)備；通過CMI內(nèi)部控制字的設(shè)置，能提高運(yùn)行速度的分辨率，精度可達(dá)0.0018Hz，這樣就能夠跟隨卷徑的微小變化精確地調(diào)整電機(jī)角速度，從而保證恒線速度運(yùn)行。
3. 直流共母線
由于正常工作時放卷電機(jī)一直處于被拖動模式，所以放卷電機(jī)一直處于發(fā)電狀態(tài)，如果發(fā)電產(chǎn)生的能量不能快速釋放掉，就會導(dǎo)致變頻器直流母線出現(xiàn)過壓故障。采用單獨外接制動電阻可以解決此問題，但是造成了能量的浪費。
通過直流共母線，既可以避免此故障的發(fā)生，又能有效利用放卷變頻器的能量，避免能源浪費，節(jié)能增效。另外，卷染機(jī)停車時要求兩三秒快速停車，當(dāng)卷徑很大而且高速運(yùn)行的時候，轉(zhuǎn)動慣量非常大，此時快速停車會瞬時產(chǎn)生很大的制動電流，因此必須外接制動電阻來快速消耗制動能量。
圖3 SE系統(tǒng)構(gòu)架
4. 布厚的自動計算
布厚對張力的控制非常重要。布厚如果存在一定誤差會導(dǎo)致布面張力出現(xiàn)較大偏差，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量；現(xiàn)場操作人員有時也無法輸入準(zhǔn)確的布厚數(shù)據(jù)；布匹在浸入染液后布厚存在一定的變數(shù)，故布厚的在線自動檢測尤為重要。
布厚的計算利用線速度一致的原理：Va=Vb
得到：（2H0×Qa+R0）×Wa=（2H0×Qb+R0）×Wb
然后：H0=（Wb-Wa）×R0/（Wa×Qa-Wb×Qb）/2
式中：Va、Vb——電機(jī)軸的線速度；Wa、Wb——電機(jī)軸的角速度；Qa、Qb——卷繞軸卷取布匹的圈數(shù)；R0——卷取軸的內(nèi)徑；H0——布厚。
利用相應(yīng)的軸實際角速度和圈數(shù)值就可計算出相應(yīng)的布厚。在速度穩(wěn)定的前提下，并且在一方的圈數(shù)接近零時準(zhǔn)確度最高。
施耐德開發(fā)的AFB功能塊
卷徑計算功能塊：通過從變頻器讀取的編碼器脈沖及設(shè)定的布厚來實現(xiàn)圈數(shù)和卷徑的計算，同時可以實現(xiàn)卷徑的在線修正，可以按照卷徑或圈數(shù)修改。
轉(zhuǎn)動慣量計算功能塊：實現(xiàn)轉(zhuǎn)動慣量隨著卷徑的變化實時進(jìn)行計算調(diào)整。
速度和轉(zhuǎn)矩的計算功能塊：通過此功能塊實現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)矩的計算，包括速度斜坡及加減速時間、張力、轉(zhuǎn)動慣量系數(shù)的設(shè)定，得到實時的線速度及轉(zhuǎn)矩給定值。
轉(zhuǎn)換控制功能塊：通過此功能塊實現(xiàn)變頻器的控制模式，包括速度控制和轉(zhuǎn)矩控制模式，變頻器的運(yùn)行命令，及最終給到變頻器的速度值及轉(zhuǎn)矩值等。
施耐德電氣解決方案的價值
ATV71加強(qiáng)涂層，適應(yīng)惡劣生產(chǎn)環(huán)境；ATV71內(nèi)置CANopen總線，無需擴(kuò)展卡，安全可靠，動態(tài)響應(yīng)速度快；ATV71修改內(nèi)部控制字CMI實現(xiàn)0.0018Hz響應(yīng)精度，對于該設(shè)備要求速度微量變化的場合非常有用，避免調(diào)速時出現(xiàn)張力波動；ATV71過載能力強(qiáng)，優(yōu)越的低速轉(zhuǎn)矩控制性能，能夠在零速時保持設(shè)定的轉(zhuǎn)矩；GXO觸摸屏采用加強(qiáng)涂層，適應(yīng)潮濕、高溫、腐蝕環(huán)境；M238內(nèi)置通訊總線，無需擴(kuò)展總線通訊模塊；卷繞圈數(shù)計算和溫度采集由變頻器完成，節(jié)省PLC輸入點和模擬量擴(kuò)展模塊；開發(fā)專用AFB，方便二次開發(fā)；直流共母線有效利用發(fā)電再生能量回饋給母線，節(jié)能增效。
本系統(tǒng)采用ATV71變頻器和M238 PLC實現(xiàn)了卷染機(jī)的恒線速度、恒張力控制，具有較高的動、靜態(tài)性能。該方案的成功應(yīng)用標(biāo)志著施耐德電氣的變頻器在高要求轉(zhuǎn)矩矢量控制領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了又一次自我突破，具有較高的推廣價值。
