圖1 卷染機設(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轉(zhuǎn)矩，使得異步電機能夠取代原有的直流調(diào)速電機，應用于張力控制系統(tǒng)。本文介紹的雙變頻卷染機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，按照運行的環(huán)境分為常溫常壓型和高溫高壓型。卷染機染缸內(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行染色（邊卷邊染），從而達到一定的染色效果，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行情況。設(shè)備外觀如圖1所示。
如圖2卷染機的內(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行，運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，無需擴展總線模塊，通訊速率可達1M；同時集成有兩個串行通訊接口，通過串行接口連接人機界面用于配方數(shù)據(jù)及參數(shù)的設(shè)定顯示。兩臺ATV71標準型變頻器分別驅(qū)動A、B卷繞電機，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)進行運算（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的參數(shù)。然而反復卷繞染色的過程中，收卷、放卷功能是交替變化的（并非絕對的），當布料從放卷軸完全卷繞到收卷軸以后要切換運動方向，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。通過正負靜帶參數(shù)的設(shè)置能夠進行轉(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，能提高運行速度的分辨率，精度可達0.0018Hz，這樣就能夠跟隨卷徑的微小變化精確地調(diào)整電機角速度，從而保證恒線速度運行。
3. 直流共母線
由于正常工作時放卷電機一直處于被拖動模式，所以放卷電機一直處于發(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，卷染機停車時要求兩三秒快速停車，當卷徑很大而且高速運行的時候，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——電機軸的線速度；Wa、Wb——電機軸的角速度；Qa、Qb——卷繞軸卷取布匹的圈數(shù)；R0——卷取軸的內(nèi)徑；H0——布厚。
利用相應的軸實際角速度和圈數(shù)值就可計算出相應的布厚。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加強涂層，適應惡劣生產(chǎn)環(huán)境；ATV71內(nèi)置CANopen總線，無需擴展卡，安全可靠，動態(tài)響應速度快；ATV71修改內(nèi)部控制字CMI實現(xiàn)0.0018Hz響應精度，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，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觸摸屏采用加強涂層，適應潮濕、高溫、腐蝕環(huán)境；M238內(nèi)置通訊總線，無需擴展總線通訊模塊；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。該方案的成功應用標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。
