直进式拉丝机技术方案备课讲稿

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时间:2002年10月报告人员:朱健

前 言

在金属制品行业中,直进式拉丝机是一种重要的机械设备,以其拉拔效率高、 工艺性能好、磨耗小等优点而得以广泛应用。在电气传动方面,由于拔丝工艺要求拉丝机启动平稳,能无级调速,低速时启动力矩大,过去一直采用直流拖动。但直流电机拖动由于生产环境十分恶劣,使电机整流子磨损严重、维护困难、故障率高,因此,近年来直流电机拖动已被交流变频调速拖动所代替。在电气控制部分,由于拉丝机是一种多台联动拖动系统,各机台在启动、停车以及运行过程中同步的问题也是不可忽略的;在拉拔过程中,由于钢丝抗拉强度、拉模的磨损等因素会造成电机力矩的变化,从而影响电机转速的波动,需要自动调整转速,以保证每个转筒之间的金属丝秒流量相等,实现正常拉拔。

一、设备概况

本设备设计使用的原料:冷拔钢丝2.00 ~ 3.50mm ,产品:0.5 ~ 1.50mm 。本设备设计使用放线架一个、八个卷筒(机台)、七个张力辊、一个收线机组、及九个防护罩。卷筒采用风冷和水冷,拉模采用水冷并前置润滑粉,在1#拉模和6#拉模处使用旋转模。收线机组包括收线机和收线张力架。在8#卷筒后设有纵矫直器、横矫直器和计米器,在收线机前也设有纵、横矫直器。2# ~ 7#机台都设有跳头装置。放线机采用从动方式工作,收线机通过张力架控制转速。在进行拉拔时,钢丝坯通过1#拉模到1#卷筒,经1#张力辊,穿过2#模到2#卷筒,这样顺序穿丝,至到收线机。如有跳头,则在相应的机台使用跳头装置。拉模的冷却水采用低进高出的方式,水的流量通过阀门的开度调节。卷筒的冷却水由手动阀控制,冷却风机提供固定的冷却风。放线处设有乱丝和放线尽的检测装置,机台上设有断丝报警装置。张力辊的张力通过气压调节大小。

二、电气设备

本系统设计使用西门子TP270-10的作为人机界面,S7-300的PLC作为中央控制器,丹佛斯的VLT5000系列变频器作为传动装置。人机界面和PLC之间采用西门子的MPI网络联接方式,PLC和变频器之间采用RS485通讯进行数据交换。反馈信号由张力辊的张力大小提供。在设计本系统时考虑到如下几点:

1.由于在钢丝冷拔过程中,考虑到产品的质量和系统的要求,选用了丹佛斯VLT5000系列的变频器。丹佛斯为VLT5000系列开发了内置的张力控制选件,它可以提供带前馈功能的高级PID过程控制。从整卷到芯的拆卷过程或反过来的卷绕过程,由于带前馈功能的高级PID控制器的作用,可获得稳定的张力。即使在拼接(换卷)和紧急停车时,由于张力反馈补偿了系统有惯性,仍具有稳定的张力。由于零点位置是可调节的,所以调节辊位置可任意设定。由于D增益极限,PID低通滤波器和PID调节范围调整,降低了调节辊的摆动幅度。由于可标定的P增益,能够适应不同应用的调节辊反馈。

张力控制系统设计成带前馈功能的PID控制器,线速度给定信号是可标定的,并且可选择它是正向还是反向。给PID控制器的反馈信号是可标定的,其极性亦是可选择的。PID调节器允许限制D增益,PID调节器的低通滤波器使反馈的振动得以衰减。在达到输出频率极限时,PID的抗超界功能将冻结积分器。PID的限位功能使得当频率超出限位范围时,关闭PID调节器。比例增益范围使P增益依赖于当前的线速度。这些特征在具有多个调节辊的串联系统中,以振动衰减是相当有用的。

正因为VLT5000变频器拥有这些功能,故在系统设计过程决定使用它。在拉拔过程中,就很好的解决了在启动和停车时经常断丝的现象,甚至在大多数快停(2秒内停车)的情况下,也能很好的保证钢丝不被拉断。通过速度微调,可以有效的克服诸多外界的干扰因素使得转筒间的金属流量相等、速度平稳,不仅提高了产品的质量和产量,也降低了设备的维护费用和延长了设备的使用寿命。

2.在生产过程中由于原料和产品的规格不断发生变化,需要不断调整变频器的相关参数以适应其变化。为了了解生产过程中各拉模的状况,需要知道各变频器的输出功率、输出

频率和输出电流,故在系统设计过程中采用了经济实用的RS485通讯方式,完成人机界面和变频器之间的数据交换。

RS-485标准物理接口:数据的传递使用电压差信号。数据发送终端进行数据传递时,首先将数据的TTL信号转换成数据电缆上(浮地)的电压信号(电压差值为±2V - ±6V) 。数据接收终端再将电压差信号转换成TTL信号。 RS485通讯为半双工通讯方式,电缆两端必须连接终端电阻;其允许发送器驱动32个接收负载,若使用中继器,则最多可带126个从机。

3.直进式拉丝机是一种多台联动拖动系统。考虑到速度的调节方便,本系统设计8#卷筒的速度为主令速度,收线机的速度完全由张力架的张力大小决定同时跟随8#卷筒。1#~7#卷筒在“单动”位置不受张力臂控制,运转速度由各自的变频器决定,处于联动位置时,运转速度由张力臂决定,如遇跳头则由后一级的张力臂决定。在考虑同步问题时,则是通过工艺要求进行数学计算比例分配的方式解决的。例如;设拉拔直径为φ3.15→φ2.87→φ2.62→φ2.39→φ2.18→φ1.98→φ1.81→φ1.65,并设最后一台电机的转速为n,则

N7=

N 如机械传动比为12.5n7 = 12.5*N7

N6=N7如机械传动比为15.2n7 = 15.2*N6

N5=N6如机械传动比为17.5n7 = 17.5*N5

依此类推可以计算出第一台电机的转速。再加上变频器的一些特殊参数的设定和张力辊的反馈信号,就可以控制整套机组的同步工作,加上PLC的控制能实现在启动、停止以及运行过程中自动平稳的加/减速(避免了因启动、停车和运行中,由于速度的突变而引起速度的不稳定,甚至导致钢丝被拉断)。

4.SIMATIC S7-300可编程控制器是模块化结构设计。各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展;强大的通讯网络功能易于实现分布,并应用灵活;大范围的各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务。其工具软件也有着高速的指令处理、良好的人机界面、智能化的诊断功能、方便的编程手段以及多种编程方式等优点,使得整套机组的操作更为方便,自动化程度更高更好,维护更为简单;运行可靠性稳定性高。

三、运行效果

此套直进式拉丝机自开车以来,工作正常,节能效果明显。其主要技术性能如下:

1.最高拉拔速度为:14米/秒,调频范围为:0~100HZ;

2.成品直径:0.5~1.80mm;

3.变频器频率分辩率:0.001HZ;

4.快停时间2秒以内,正常停车:0.5~60秒

5.噪声:< 80分贝

根据现场调试和运行结果的情况,总结如下:

由于采用交流电机,电机的故障率减少了;由于使用变频器调速,故障停机率减少了,运行过程中的跳闸次数也减少了;由于采用变频传动,电耗明显降低了(据现场实测为36.5%);采用变频调速后,机组的启动、停车平稳,张力均匀,产品质量显著提高;由于使用了控制屏,现场操作简单,操作功能完善,使用方便,运行过程中加/减速平稳。

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