1 引言
某軋鋼廠的一條生產(chǎn)線，將表面未經(jīng)處理、待軋的鋼帶經(jīng)過酸洗、軋壓、切邊后，處理成表面潔凈、厚度均勻的鋼帶，收卷后用于后續(xù)工序的精加工。卷繞的鋼帶厚度有3種(2mm、2.75mm、3mm)，卷徑變化從610mm到1900mm，要求整個收卷過程保持張力恒定，不帶張力傳感器，收卷電機(jī)110kw，有編碼器，每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為1000，減速比為36，卷繞控制通過森蘭sb80b變頻器的轉(zhuǎn)矩控制功能完成。
sb80b變頻器是森蘭變頻器制造有限公司自主開發(fā)的新一代低噪聲、高性能、多功能的工程型矢量控制變頻器。它應(yīng)用極其廣泛，這主要得利于它的模塊化設(shè)計及多種選配件，模塊有兩個層次:通用功能模塊，如pid控制、多段頻率、自動節(jié)能運行等;行業(yè)專用功能模塊，如位置控制，紡織應(yīng)用、恒壓供水應(yīng)用等。它還具有豐富的可編程模塊，功能非常完整，編程靈活方便，包括:兩個多功能比較器、兩個邏輯單元、兩個定時器、一個計數(shù)器(高速計數(shù)方式可對高達(dá)300khz的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)器的計數(shù)值和計數(shù)偏差可以通過功能碼查詢)、四個算術(shù)單元和一個低通濾波器。用戶可以根據(jù)所需對sb80b的資源進(jìn)行編程，既可以利用它的可編程功能模塊來配合專用功能模塊的使用，也可以和通用功能模塊配合來實現(xiàn)更多行業(yè)的更廣泛的功能。在本次應(yīng)用中，可通過sb80b的可編程資源實現(xiàn)卷徑計算、給定轉(zhuǎn)矩計算、材料厚度更改和斷帶檢測等專業(yè)應(yīng)用功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計
系統(tǒng)中沒有張力傳感器，有測速編碼器，可以選擇有pg的轉(zhuǎn)矩矢量控制，通過直接控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩保持張力恒定。轉(zhuǎn)矩控制下不對速度進(jìn)行控制，因此應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置適當(dāng)?shù)乃俣葮O限。給定轉(zhuǎn)矩根據(jù)卷徑和需要的張力值計算，具體過程如下:
設(shè)卷軸需要的轉(zhuǎn)矩值為t，單位為n?m，以2.5倍tn為100％的卷軸需要的轉(zhuǎn)矩百分比值為t′; 注:額定轉(zhuǎn)矩tn=9550×pn/nn,其中pn為電機(jī)額定功率(kw)，n為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速(r/min)。
張力為f，單位為n;
最終卷徑為dmax，單位為m;
初始卷徑為d0，單位為m;
實時卷徑為d，單位為m;以dmax為100％的卷徑百分比值為d′;
鋼帶厚度為s，單位為m。
減速比為i，為電機(jī)轉(zhuǎn)速和卷軸轉(zhuǎn)速的比。
則t=(f×d)/(2×i)，得到

可以推出

可以得到

用戶要求當(dāng)收卷到最終卷徑時，輸出轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩tn，所以

，最后的轉(zhuǎn)矩給定值為

卷徑d通過厚度積分法來計算，初始卷徑d0已知，負(fù)載每旋轉(zhuǎn)一周，卷徑的增加量為鋼帶的厚度，利用sb80b的計數(shù)器累加編碼器的z脈沖(編碼器每旋轉(zhuǎn)一周出現(xiàn)一次)個數(shù)，可得到實時卷徑。此時的計數(shù)器就相當(dāng)于一個卷徑傳感器，計數(shù)器的輸出就是以最終卷徑為100％的信號d′，再通過算術(shù)單元1計算出給定轉(zhuǎn)矩t′，就可以實現(xiàn)恒張力的轉(zhuǎn)矩控制了。為使計數(shù)器正常工作，需根據(jù)最終卷徑、初始卷徑和鋼帶厚度計算下面兩個值:
計數(shù)器預(yù)置值(代表初始卷徑)＝(初始卷徑×i)/(鋼帶厚度×2)＝(d0×i)/(2×s);(取整數(shù)部分);
設(shè)定計數(shù)值(代表最終卷徑)＝(最終卷徑×i)/(鋼帶厚度×2)＝(dmax×i)/(2×s);(取整數(shù)部分);
需要注意的是，計數(shù)器的最大計數(shù)值為65000，只有在(dmax×i)/(2×s)≤65000時，才可以使用本方法。
用戶生產(chǎn)的鋼帶厚度一共有3種，厚度改變后，cl-26(計數(shù)器預(yù)置值)和cl-27(設(shè)定計數(shù)值)也必須改變才能正確控制轉(zhuǎn)矩的變化，但用戶的生產(chǎn)線操作臺與變頻器相隔很遠(yuǎn)，修改參數(shù)很不方便，因此我們通過調(diào)整ai2來適應(yīng)不同鋼帶厚度的要求。思路如下:以2mm厚度計算得到的cl-27為17100，當(dāng)負(fù)載每旋轉(zhuǎn)一周，卷徑應(yīng)增加36/17100(36為傳動比)，當(dāng)卷繞的是3mm鋼板時(cl-27的值應(yīng)該是11400)，負(fù)載每旋轉(zhuǎn)一周，卷徑增加36/11400，可以看出，每個z脈沖對卷徑的增加量是隨著鋼帶厚度變化的，如果最開始把cl-26和cl-27修改為以2mm的厚度計算的結(jié)果，當(dāng)需要卷繞3mm的鋼板時，應(yīng)把計數(shù)器偏差乘以17100/11400(即3mm/2mm)再用來計算轉(zhuǎn)矩給定。方法如下:
d′＝計數(shù)器偏差×厚度系數(shù)(以最薄鋼帶厚度為100％，ai2輸入)＋d0/dmax
注意:由于算術(shù)單元不能運算大于100％的數(shù)，這里的厚度系數(shù)是通過除以它的倒數(shù)來實現(xiàn)的。例如要卷繞3mm的鋼帶時，厚度系數(shù)為3/2＝1.5，則用除以(1/1.5＝66.7％)來實現(xiàn)。
最終的設(shè)計方案圖如圖1所示。

圖1 sb80b鋼帶收卷機(jī)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)圖

 

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收卷控制中還可以采用接近開關(guān)進(jìn)行計圈、采用無pg轉(zhuǎn)矩矢量控制，不需編碼器，成本可降低。為了在低速有較高的轉(zhuǎn)矩精度，本例中使用的是pg的z信號計圈及有pg的轉(zhuǎn)矩矢量控制方式，pg的外部接線方式如圖2所示。

圖2 pg接線圖

另外，用戶需要斷帶檢測，并通過ai1提供給我們一個實測的線速度作參考。我們根據(jù)編碼器測得的頻率來計算一個負(fù)載線速度，并與實測的線速度進(jìn)行比較，若相差太大，可以認(rèn)為是發(fā)生斷帶。線速度

，d為實際的卷徑，若我們使用相對于最終卷徑的d′，則求得的線速度為相對于最大線速度的百分比。實際實現(xiàn)時，只需計算fpg×d′，其余部分都是常數(shù)，通過調(diào)整ai1的增益和偏置使在未斷帶時ai1輸入的線速度與我們計算的線速度一致即可。其中定時器1的作用是實現(xiàn)消抖，防止干擾誤動作。實現(xiàn)框圖如圖3所示。

3

3 運行調(diào)試
調(diào)試步驟如下:
（1) 首先確保動力線與信號線都已正確的連接;
（2) 進(jìn)行有pg矢量控制的調(diào)試步驟(具體參見sb80b的用戶手冊);
（3) 觀察數(shù)字輸入、模擬輸入、模擬輸出和計數(shù)器等是否確實可用;
（4) 以下是部分的功能參數(shù)設(shè)置
給出運行命令之后，sb80b變頻器根據(jù)計數(shù)器測得的卷徑自動給定轉(zhuǎn)矩，使鋼帶收卷過程中的張力始終保持恒定，直至一卷鋼帶生產(chǎn)完成。還可利用數(shù)字輸出28(設(shè)定計數(shù)值到達(dá))來給出停機(jī)命令，這樣，每次生產(chǎn)完一卷鋼帶后變頻器會自動停機(jī)，功能碼設(shè)置這里不再贅述。

4 結(jié)束語
由于sb80b優(yōu)異的轉(zhuǎn)矩控制性能、強(qiáng)大的可編程功能模塊和方便的應(yīng)用方法，很容易完成了恒張力控制方案和斷帶檢測方案的設(shè)計和現(xiàn)場調(diào)試的全部工作，應(yīng)用取得了滿意的效果。
熟悉sb80的各種資源，靈活應(yīng)用各種功能模塊，特別是可編程模塊，可以使用戶從容面對各種復(fù)雜多變的應(yīng)用需求，靈活應(yīng)對各種功能、工藝的要求。