一、前言
隨著我國經濟的高速發展和城市化進程的加快，不銹鋼所具有的輕巧、環保、美觀等優點被大量使用，尤其是在大城市和沿海城市，不銹鋼的使用數量已超過歐美國家。不銹鋼已廣泛應用于汽車工業、水工業、建筑業、家電業、環保工業等現代化工業中，可以這樣說，中國城市化的過程就是擴大使用不銹鋼的過程。在最近幾年，不銹鋼行業取得了飛速的發展，面臨著前所未有的巨大機遇，眾多國內生產企業受到生產設備技術條件的限制，生產的產品還處于中、低端市場，競爭力不強。用先進的自動化控制技術來提升我國裝備制造業水平，縮短與世界先進生產設備的距離，對生產設備進行升級換代，已刻不容緩。由深圳市微能科技有限公司研發生產的高性能強功能矢量型變頻器—WIN-VC系列產品，該變頻器達到了極高的響應性和穩定性，真正能在各種工業現場應用自如，是國內眾多工業設備和自動化機械制造客戶的首選。通過WIN-VC矢量型變頻器在不銹鋼磨砂機張力收卷上的成功應用表明，以前進口品牌在收、放卷、提升等變頻器高端應用領域壟斷的局面將被打破，WIN-VC系列變頻器的面世將大大促進我國裝備制造業總體水平的提高。
二、張力控制變頻收卷應用及工藝要求
2.1 原收卷裝置的弊端
在不銹鋼的加工過程中，它的磨砂和清洗工藝是否先進對產品品質起著決定性的作用，系統一般由以下部分組成：放卷、收卷由兩臺5.5KW電機驅動，壓輥、磨砂帶各由1臺2.2KW電機驅動，四個動力點的速度都由同步控制器輸出0-10V信號，控制變頻器同步運行。不銹鋼板從放卷電機開卷，經前整壓輥引入進入生產線，通過磨砂帶的高速旋轉打磨拋光，進入到清洗水箱進行液體噴射清潔、高壓風機干燥處理后，由收卷電機進行收卷、包裝。
現有系統的弊端有以下幾點：1）四個傳動點由于各動力點的受力不均勻，無法在同一線速度下實現同步運行。2）放卷電機由普通變頻器驅動，經常在手動模式下由于操作工后兩個傳動點開得太快，使V1經常跳OU故障，容易引起飛車危險。3）壓輥、磨砂電機在低速時易打滑，影響產品品質。4）收卷處電機V4經常出現過載和失速現象，鋼帶經常出現張力過大繃緊變形，或者達不到內緊外松的收卷要求。5）在上料、下料時不易控制，危及操作工的安全。
2.2 微能WIN-VC變頻器簡介
解決上述弊端的方法：必須保證四個傳動點的線速度V1=V2=V3=V4；V1和V4能工作在恒張力模式下，進行速度/力矩控制。用變頻器做恒張力控制的實質是閉環矢量控制，即加旋轉編碼器進行速度反饋。對收卷來說，收卷的卷徑是由小到大變化的，為了保證恒張力，所以要求電機的輸出轉矩要由小到大變化。在收卷的過程中，小卷、大卷啟動時的瞬間加速、減速、停車，都要在不同卷徑下進行不同的轉矩補償，這樣才能使得收卷的整個過程很穩定，避免小卷時張力過大，而大卷啟動時松馳現象。 V2、V3在低速時保證足夠的轉矩，保證上料過程中不出現打滑、倒退的現象。由深圳市微能科技有限公司研發生產的無感矢量型WIN-VB、電流矢量型WIN-VC變頻器產品可滿足上述要求。
WIN-VC變頻器是一款通用高性能矢量變頻器，是真正的電流矢量控制變頻器，以先進技術的控制理論為基礎，通過智能化的控制手段，使變頻器控制的調速系統達到了極高的響應性和穩定性，具有高起動轉距、低速穩定性好，精確的力矩控制、節能控制、零伺服功能、下垂控制（DROOP）等強大功能，達到同類進口產品的性能，真正能在各種工業現場應用自如。WIN-VC可實現四種控制方式：
1.無PG矢量控制：應用于所有需要變速驅動的場合
2.有PG矢量控制：簡易伺服驅動，高精度速度控制，力矩控制的場合
3.無PG V/f控制： 傳統的變頻器控制方式，可使一臺變頻器驅動多臺電機
4.有PGV/f控制： 簡易速度反饋控制
特別是在PG矢量控制方式下，以其極高的速度控制精度(+0.02%)、極高的零起動轉矩(在0r/min時達150%額定轉矩)并可實現力矩控制，與PLC配合使用，可以實現速度鏈控制、自動負荷控制、自動速差控制等功能，在生產線傳動中得到大量應用，并取得了較好的控制效果。
2.3 變頻張力開環控制收卷系統組成
張力控制的定義：所謂的張力控制，就是能控制電機輸出的力矩，即輸出多少牛頓·米。反應到電機軸即能控制電機的輸出轉距。目前控制張力途徑有兩個：一是通過控制電機的速度來實現；二是通過控制電機的輸出轉矩來實現。WIN-VC變頻器可通過三種方式可實現張力控制：
1.張力閉環控制方式（速度模式）。通過PLC檢測和計算材料的線速度和卷徑的實時計算，由張力檢測裝置反饋的張力信號與張力設定值構成PID閉環，調整變頻器的輸出頻率。
2.張力開環控制方式（轉矩模式）。變頻器工作在閉環矢量方式下，系統須安裝旋轉編碼器。控制系統簡單，無需張力反饋裝置，即可獲得穩定的張力效果。這種控制方式適合在較低速度下的大張力控制，本文所要介紹的就是此種張力控制方式。
3.張力閉環控制方式（轉矩模式）。在b)的基礎上增加了張力反饋閉環調節，由張力檢測裝置反饋張力信號與張力設定值構成PID閉環，調節變頻器輸出轉矩，可實現精確的張力控制精度。
在 2.張力開環控制這種模式下，利用變頻器矢量控制的轉矩控制功能，實時的根據張力的設定值、錐度、補償量，以及卷軸直徑計算出所需要的轉矩，從而達到間接的控制張力的目的。結構簡潔，效果非常好。系統組成如下:
三、變頻張力開環收卷的控制原理
要保證收卷過程的平穩性，不論是大卷、小卷、加速、減速、激活、停車都能保證張力的恒定，需要進行轉矩的補償。在不同速度的時候，補償的系數是不同的，即加速轉矩、減速轉矩、停車轉矩、激活轉矩，具有不同的補償系數。收卷整個過程的轉矩補償過程：電機的輸出轉矩=靜摩擦轉矩(激活瞬間)+滑動摩擦轉矩+負載轉矩。轉矩的補償為:（1）在加速時還要加上加速轉矩。（2）在減速時要減去減速轉矩。（3）停車時，因為是通過程控減速至設定的最低速，所以停車時的轉矩補償與減速轉矩的處理方法相同。 在張力控制模式下,要對速度進行限制,否則會出現飛車。轉矩的計算和卷徑的計算原理如下：
1)轉矩的計算：
T=（F×D）/（2×i）
其中：T 變頻器輸出轉矩指令， F 張力設定指令， i 機械傳動比， D 卷筒的卷徑，電機的轉矩被計算出來后，作為變頻器的電流環的給定，這樣就可以控制電機的輸出轉矩，所以轉矩計算非常重要。
2）卷徑算法原理:
厚度積分法。在系統中，PLC根據工藝需要來決定輸出速度/力矩，并同時從各個變頻器中讀取速度、電流、轉矩等信號，用作控制和顯示。PLC程序的主要任務是：處理起停連鎖、故障報警、速度控制以及顯示， 根據材料厚度按卷筒旋轉圈數進行卷徑累加或遞減，如果是線材還需設定每層的圈數，也可以從PG獲得圈數此方法在單一產品的生產場合被廣泛應用。若厚度是需要經常變化的，需要通過人機界面HMI將厚度信號傳送到PLC，由PLC進行運算后再傳送給變頻器。
四、系統調試過程
不銹鋼生產線的變頻控制系統算是一個比較復雜的傳動系統，必須分步進行調試。包括變頻器調試、PLC調試、生產試運行三個步驟。
4.1變頻器的參數設定及說明
收卷變頻調速及其控制：V2、V3用WIN-VB系列變頻器工作在無感矢量模式下，自動轉矩補償可滿足低速高轉矩的要求；V1、V4用WIN-VC系列變頻器工作在力矩/速度模式下，可達到收、放卷的性能要求。在變頻器的PG矢量控制中，轉速指令和實際速度的比較值通過一個速度調節器ASR后再進行轉矩限定，然后用來控制變頻器的輸出轉矩。限制轉矩的作用就是用來限定速度調節器輸出的轉矩電流指令，直接限制變頻器的輸出頻率。對于收卷而言，隨著卷徑的逐漸增大，速度將慢慢減小而轉矩值也隨之增大，這時主要控制轉矩值的大小就可以基本上保證轉矩值的精度。
1）自學習：要實現高精度的矢量控制性能，需建立在精確的電機模型參數上。WIN-VC的動態自學習模式，可測量從低到高不同頻率段時電機的參數，從而獲得準確的電機參數。在不同的頻率段建立相應頻率段的電機模型，使變頻器從低頻到高頻都能精確控制電機。由于電機的一些參數（如空載電流、額定滑差、轉子電阻、鐵芯飽和系數等）在不同的溫度下有較大差異，為獲得最佳電機參數，使系統達到最佳的控制性能，建議在自學習之前最好將變頻器帶電機先運行十分鐘以上，待電機溫升達到正常工作時的溫度再進行自學習。
2) 將編碼器的信號接至變頻器，并在變頻器上設定編碼器的參數。然后用鍵盤給定頻率和進行啟停控制，觀察顯示的運行頻率是否在設定頻率的左右波動。因為運用閉環矢量控制時，運行頻率總是在參考編碼器反饋的速度，最大限度的接近設定頻率，所以運行頻率是在設定頻率的附近變化的。
3）放卷變頻器V1實際上只是提供一個反向的拉緊力，所以其控制精度要求不高。調試相對簡單。關于零速時的反向拉緊，即零速保持，必須同時設定速度極限功能，可避免斷料時的飛車情況，保障操作人員的安全。
4) V4在速度/力矩模式下重要參數調整說明：
a、力矩限制功能：在PG矢量控制方式下，力矩限制功能的典型應用是開環力矩限制收(放)卷功能。力矩指令可以由多功能模擬量輸入端子、ModBus通信卡修改L7組相應參數或通過操作鍵盤修改L7組相關參數等輸入信號任意設定。當不想在負載上施加一定量以上的力矩及不想發生一定量以上的再生能量時，可以使用力矩限制功能。力矩限制的精度：在輸出頻率10Hz以上時，為±5%，10Hz以下時精度較低。電機輸出力矩達到力矩限制值時，力矩控制優先，電機的轉速控制和補償都無效。應該注意的是會出現加減速時間增加及轉速降低的情況，而轉速降低正是收卷時所需要的特性。矢量控制時的速度（ASR）是把速度指令和速度檢出值（PG的反饋或者速度運算值的偏差）調為零，來控制力矩指令。
b、速度限制功能：為了防止負載力矩因故消失后電機發生飛車現象，力矩模式控制時可以設定速度限制值。速度限制的給定同樣可以由多功能模擬量輸入端子、ModBus通信、操作鍵盤等輸入信號任意設定。速度限制的控制功能在力矩控制的收、放卷系統中非常有用，可以控制收卷的速度時刻跟隨著牽引的速度，控制因過速引起的收卷故障。力矩控制時的另一個特點是在控制過程中可以加入力矩補償，在力矩控制的系統起動時，為克服系統的靜摩擦提供了一個額外的力矩，使系統的響應更加迅速。
5) WIN-VC變頻器相關參數設定（WIN-VB參數、接線圖略）
環境設定參數
應用設定參數
6）變頻器接線圖
4.2 PLC程序調試
PLC程序主要功能有：
1.磨砂傳動的速度給定，并讀取該傳動的速度、電流、轉矩信號
2.根據磨砂速度來決定各動力點的速度給定，并讀取該傳動點的速度、電流、轉矩信號
3.處理收卷傳動的切換，即工位之間互換時速度給定和轉矩限幅的給定，各I/O信號是否動作正確。
在程序中設定空芯卷徑和最大卷徑的數值。通過前面卷徑計算，算出電機尾部所加編碼器產生的最大脈沖量（P2）和最低脈沖量 ( P2 )。通過算出的最大脈沖量對收卷電機的速度進行限定，因為變頻器用作張力控制時，如果不對最高速進行限定，一旦出現異常情況，收卷電機會出現飛車危險。
4.3 生產試運行
在生產試運行前，必須設定好各動力點的參數，各種保護功能是否正確動作，速度的限制控制值和轉矩的限制值是否設定正確等等。同時還應注意：
1.各個動力點必須先進行空載運行試驗。
2.在帶載試生產中，根據生產的實際情況還應修正各類系數，如力矩補償、力矩增益、ASR參數等等，以確保各動力點的速度協調。通過設定以上的幾個參數，可以有效的改變系統慣量對加、減速時的影響，可以達到非常好的收卷效果。在用戶現場測試，加工厚度D=0.3mm到D=1mm不銹鋼板材時，磨砂機各個動力點的控制相當平穩，加工出來的不銹鋼表面光潔，無氣孔，無渣，收卷達到內緊外松的要求。
結束語
采用WIN-VC矢量型變頻器實現了磨砂機的收、放卷張力控制，與原系統相比，具有操作簡單、安全、可靠、加工精度高等優點。張力設定在人機界面HMI上完成，使用卷徑的實時計算方法，精確度非常高，保證了電機輸出轉矩的平滑特性，使得板材、線材類的高速加工成為了現實，從而大大提高了設備的可靠性和生產率，成本上并沒有過多的增加，提升了企業的產品品質和競爭力。