1、系統(tǒng)概述
為滿足現(xiàn)代化紡織工業(yè)高自動(dòng)化、高效率、高可靠性和高精度的要求，可編程控制器、人機(jī)界面、和變頻器傳動(dòng)控制在紡織工業(yè)上取得了廣泛的應(yīng)用。
艾默生工業(yè)自動(dòng)化（中國）（以下簡稱艾默生）的變頻器產(chǎn)品以其豐富的功能、優(yōu)越的性能在紡織行業(yè)里面取得了很好的應(yīng)用，下面是艾默生變頻器在某化纖廠2萬噸滌綸短纖生產(chǎn)線的應(yīng)用情況介紹。
滌綸生產(chǎn)線，整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)是由前紡部分和后紡部分組成。
前紡部分主要是由擠壓、溶體輸送、紡絲、卷繞等部分組成。
后紡部分設(shè)備包括集束架、導(dǎo)絲機(jī)、浸油槽、一道牽伸機(jī)、水浴牽伸槽、二道牽伸機(jī)、蒸汽加熱箱、緊張熱定型、冷卻、三道牽伸機(jī)、疊絲機(jī)、張力架、卷曲機(jī)加熱、卷曲機(jī)、鋪絲機(jī)、烘干、卷繞、切斷等。由于此部分對各個(gè)環(huán)節(jié)的速度同步控制非常嚴(yán)格，采用了PROFIBUS
總線控制。
2、前紡紡絲部分的變頻器調(diào)速系統(tǒng)
2.1前紡紡絲機(jī)的生產(chǎn)工藝流程
前紡紡絲機(jī)的生產(chǎn)工藝流程圖如下：
圖1前紡紡絲機(jī)生產(chǎn)工藝流程圖
（1） 紡絲：聚脂材料經(jīng)過擠壓后，變成溶體，并經(jīng)過溶體管道連續(xù)輸送到紡絲箱體。在紡絲箱體上裝有紡絲計(jì)量泵，溶體從紡絲計(jì)量泵上以均勻的流速傳至紡絲組件，經(jīng)過過濾后從噴絲板上的小孔中擠壓成束，一個(gè)噴絲板噴出的絲約有幾千條，噴出后的絲束經(jīng)過一個(gè)快速冷卻風(fēng)管，然后將眾多聚脂纖維集結(jié)在一起，并通過上油后，傳至卷繞機(jī)上面。
（2） 卷繞機(jī)：將上油后的落下的32股絲束合并成一股絲束，經(jīng)過牽引，經(jīng)喂入輪落入到盛絲桶中，做為后紡部分的原材料。
2.2前紡紡絲機(jī)對電氣傳動(dòng)的要求
（1） 為了保證滌綸短纖維的纖度均勻一致，要求32臺(tái)紡絲計(jì)量泵的轉(zhuǎn)速必須嚴(yán)格同步，其精度為0.01～0.05%。
（2） 為了滿足纖維多品種的要求，計(jì)量泵要有一個(gè)較寬的速度調(diào)節(jié)范圍，紡絲計(jì)量泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍約為3:1～5:1。
（3） 為了避免紡絲計(jì)量泵停車后造成的經(jīng)濟(jì)損失，要求調(diào)速器具有較高的可靠性、穩(wěn)定性。
2.3前紡紡絲機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)
由圖1的生產(chǎn)工藝流程可以看出，在前紡紡絲機(jī)部分的變頻調(diào)速系統(tǒng)如下：
圖2 前紡紡絲機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)
（1） 擠出機(jī)部分，因負(fù)載比較大，并且要求要有較高的低頻轉(zhuǎn)矩，在變頻器上選用的是EV2000系列產(chǎn)品，可以在0.5HZ時(shí)達(dá)到180%的轉(zhuǎn)矩。
（2） 因計(jì)量泵的轉(zhuǎn)速嚴(yán)格要求同步并且穩(wěn)定，在計(jì)量泵電機(jī)的選擇上，采用了永磁同步電機(jī)，選擇開環(huán)控制方案。因永磁同步電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度僅僅取決于供電頻率（N=60F/P），在變頻器和電機(jī)的功率匹配上面，采取了用3.7KW變頻器帶2.5KW同步電機(jī)的做法，留有了較大的余量。
（3） 在牽引部分，牽引機(jī)對變頻器的要求較高，它要求一臺(tái)變頻器帶8臺(tái)同步電機(jī)，而且，在工藝上還有其特殊的要求，就是在啟動(dòng)的時(shí)候，變頻器只帶第一臺(tái)電機(jī)啟動(dòng)，在啟動(dòng)完成到達(dá)恒速運(yùn)行后，逐一將其余七臺(tái)電機(jī)的接觸器合上，而在停機(jī)是正好相反。這樣，從第二臺(tái)電機(jī)開始，在電機(jī)的接觸器合上時(shí)，都會(huì)對變頻器產(chǎn)生較大的一個(gè)沖擊，因此，在選型時(shí)，留的余量很大，8臺(tái)3.13KW的永磁同步電機(jī)，選擇了45KW的變頻器。
3、后紡部分的變頻調(diào)速系統(tǒng)
3.1后紡牽伸部分的生產(chǎn)工藝流程
在前紡紡絲部分，生產(chǎn)完成后，所形成的絲束疊放在盛絲桶中，這種絲是未牽伸的絲，無法直接使用，尚需要進(jìn)行進(jìn)一步的處理。后紡部分牽伸就是對放在盛絲桶中的未牽伸絲進(jìn)行再度的牽伸的，在后紡部分，需要經(jīng)過熱牽伸（牽伸比例3.2～3.6倍）、卷曲、熱定型、切斷、打包等工藝，做為滌綸短纖維成品出廠。
后紡牽伸部分的工藝流程圖如下圖所示：
圖3 后紡牽伸生產(chǎn)工藝流程圖
圖中可以看出，在后紡部分，原絲主要經(jīng)過三道牽伸，將絲的長度均勻拉伸到原來的3.2～3.6倍，并可以根據(jù)對產(chǎn)品的要求，在這三道牽伸里面對拉伸比例作一定的調(diào)整。原絲經(jīng)過拉伸后，進(jìn)入到卷曲工藝，主要是增加絲的彈性，然后烘干，切斷成一定長度的短纖維，即可出廠。
3.2后紡牽伸部分對變頻調(diào)速的基本要求
由于后紡部分是滌綸短纖維的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其控制的好壞，直接影響到生產(chǎn)出來的短纖維的質(zhì)量的好壞。在后紡部分，對變頻調(diào)速系統(tǒng)，有以下基本要求：
（1） 必須嚴(yán)格保證各個(gè)環(huán)節(jié)之間的牽伸比，也就是要保證各個(gè)環(huán)節(jié)的速度的比例恒定，張力恒定。要做到這一點(diǎn)，在后紡部分的三道牽伸環(huán)節(jié)，必須聯(lián)合起來控制，保證三道牽伸之間的一個(gè)固定的關(guān)系。
（2） 在對短纖拉伸的過程中，由于短纖是有彈性的，那么肯定存在部分的環(huán)節(jié)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)，這樣，在系統(tǒng)考慮時(shí)，必須要將處于制動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)發(fā)出的電能消耗掉。
（3） 短纖的生產(chǎn)，對速度的精度要求較高，而后紡三道牽伸都為大功率的電機(jī)，采用異步電機(jī)時(shí)，必須使用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，保證速度控制的精度、變頻器的轉(zhuǎn)矩性能。
（4） 為了方便生產(chǎn)管理，需將各種控制信號集中到一個(gè)控制臺(tái)，進(jìn)行集中調(diào)節(jié)和控制。
3.3后紡部分的變頻調(diào)速系統(tǒng)
3.3.1后紡變頻器系統(tǒng)配置
后紡部分的變頻器的系統(tǒng)配置情況如下圖所示：
圖4 后紡變頻器系統(tǒng)配置
3.3.2共直流母線系統(tǒng)
在整個(gè)生產(chǎn)流程當(dāng)中，核心部分在一、二、三牽，它關(guān)系到絲的粗細(xì)，質(zhì)量的好壞。而二牽——牽伸一為主要牽伸部分，其牽伸比在3倍左右（線速度比值），三牽——牽伸二為第二牽伸部分，牽伸比為1.2左右。因?yàn)榫€速度速比的關(guān)系，使得一牽在正常運(yùn)行時(shí)始終處于制動(dòng)狀態(tài)，而二牽也是大部分時(shí)間也處于制動(dòng)狀態(tài)。這樣，一牽和二牽在生產(chǎn)過程中，將產(chǎn)生大量的能量，采用傳統(tǒng)的能耗制動(dòng)的方法，將產(chǎn)生大量的能源的浪費(fèi)。鑒于這一點(diǎn)，在本文中，我們提出了一種新的解決方案——采用共直流母線技術(shù)，這一新的技術(shù)，充分地利用了因制動(dòng)而發(fā)出的電能。
在系統(tǒng)中，我們充分利用了變頻器的特性，將一牽和卷曲的變頻器共用母線1，二牽和三牽共用母線2，導(dǎo)絲和疊絲的變頻器將不接電源而直接接于母線1上面。分成兩條母線并聯(lián)，進(jìn)行發(fā)電－電動(dòng)結(jié)合，提高了系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)還能保持共直流母線的優(yōu)越性。
按照以上思路，后紡部分牽伸段的變頻器線路圖如下：
圖5牽伸部分線路圖
共母線的四臺(tái)變頻器都通過接觸器和
熔斷器后，將自己的母線接到共用母線上面去，
接觸器的通斷由變頻器的PA－PC輸出READY信號控制，針對共母線方案，在變頻器的功能碼當(dāng)中還增加了一個(gè)功能FA.16（READY延時(shí)輸出），在調(diào)試時(shí)根據(jù)變頻器的功率的大小，設(shè)置不同的延時(shí)輸出時(shí)間，保證先把功率大的變頻器接到母線上面。每臺(tái)共母線變頻器的接線如圖四所示，頻率由總線給定，運(yùn)行命令由端子給定。
圖6牽伸變頻器接線圖
這樣，從工藝上考慮，55KW發(fā)出電可以供應(yīng)30KW/5.5KW/7.5KW使用，而90KW發(fā)出的電可以供應(yīng)110KW使用，節(jié)約了大量的能量。
在此方案中，通過對后紡所用的TD3000變頻器進(jìn)行有效的組合，采取共直流母線技術(shù)，節(jié)約了大量的能量，極大的降低了生產(chǎn)成本。采用通訊控制后，很方便的形成了整個(gè)系統(tǒng)的速度的閉環(huán)，有效的保證了各工藝段的同步過程，而變頻器采用閉環(huán)矢量，提高了速度的精度。這種方案低的推出，對化纖生產(chǎn)將產(chǎn)生很大的影響。
3.3.2PROFIBUS總線系統(tǒng)
在后紡部分，采用了PROFIBUS總線控制系統(tǒng)，分為三個(gè)部分：變頻器調(diào)速系統(tǒng)、上位機(jī)、人機(jī)界面。在整個(gè)系統(tǒng)中，變頻器的速度給定、啟動(dòng)命令、速度的監(jiān)控的都通過PLC實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在生產(chǎn)線的旁邊，設(shè)有一個(gè)人機(jī)界面，與PLC進(jìn)行總線通訊,在人機(jī)界面上，可以進(jìn)行各個(gè)環(huán)節(jié)的速度的設(shè)定、牽伸比的設(shè)定、啟動(dòng)、停車、生產(chǎn)線的監(jiān)控等。
3.3.3生產(chǎn)線整線速度閉環(huán)系統(tǒng)
在整個(gè)后紡生產(chǎn)中，各個(gè)牽伸的速度的大小，將直接影響到纖維絲的質(zhì)量的好壞。影響纖維絲質(zhì)量好壞主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：
（1） 單臺(tái)變頻器的速度的精度；
（2） 各牽伸之間的速度的關(guān)系，也就是要保證張力恒定；
在單臺(tái)變頻器上，我們選擇了速度精度很高的TD3000系列矢量型變頻器，并采取了閉環(huán)矢量控制，在每臺(tái)牽伸的變頻器上，增加了旋轉(zhuǎn)
編碼器，控制精度達(dá)到了0.05%。
考慮到各個(gè)牽伸之間的關(guān)系，各個(gè)牽伸之間的速度必須進(jìn)行嚴(yán)格的控制，在任何時(shí)候，要保證各個(gè)牽伸之間的速度的比值是一個(gè)恒定值。因此，我們在單臺(tái)閉環(huán)矢量的基礎(chǔ)上，增加了整條生產(chǎn)線的速度閉環(huán)控制。因在后紡部分用到了PROFIBUS總線控制，這樣，就在上位機(jī)中，對整車的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并計(jì)算，并選擇一個(gè)參考點(diǎn)，一旦計(jì)算出某個(gè)環(huán)節(jié)的變頻器的實(shí)際速度不符合要求，上位機(jī)立即給出頻率修改指令，調(diào)整這一臺(tái)變頻器的速度，保證整線的速度之間的比例關(guān)系恒定。
4、調(diào)試過程
在前紡、后紡的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，因后紡用到的閉環(huán)矢量控制，又有新的技術(shù)共直流母線技術(shù)，因而在調(diào)試過程中主要集中在后紡這一部分。
在這一階段的調(diào)試中，首先要確保共直流母線的可靠性，
設(shè)置變頻器開環(huán)矢量運(yùn)行，進(jìn)行電機(jī)參數(shù)辨識(shí)，調(diào)試通訊正常。
觀察制動(dòng)單元的工作情況，在整個(gè)過程中，制動(dòng)單元都沒有投入工作，監(jiān)控直流母線的電壓，兩條母線的電壓都在520V左右，處于制動(dòng)狀態(tài)的變頻器發(fā)出的電基本被消耗掉。事實(shí)證明，共母線的應(yīng)用方案，在這種既有發(fā)電又有電動(dòng)的系統(tǒng)當(dāng)中使用，效果是非常明顯的。
整個(gè)工藝過程，存在絲的拉伸，要嚴(yán)格保證各工藝段的同步，才能保證絲的質(zhì)量。同步過程的調(diào)試是，首先確定一臺(tái)變頻器的速度做為整條生產(chǎn)線的主給定，然后PLC通過通訊讀取各變頻器的實(shí)際運(yùn)行頻率，根據(jù)相互之間設(shè)定的牽伸比的關(guān)系，進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，做為其他變頻器的設(shè)定頻率。按照這種方案，實(shí)際上是由PLC通過軟件對整條生產(chǎn)線做了一個(gè)速度的閉環(huán)。變頻器按照牽伸比和減速比設(shè)置各自的加減速時(shí)間，這樣處理后，在啟動(dòng)和停車時(shí)，都有了很好的同步效果。
因?yàn)闇炀]絲經(jīng)過拉伸，在停車時(shí)，有收縮現(xiàn)象，表現(xiàn)在變頻器的運(yùn)行頻率降到0，運(yùn)行命令撤除后，滌綸絲有很大的收縮，觀察二牽和三牽之間的情況，在每次停車后，都會(huì)收縮1米多。由于每臺(tái)電機(jī)都是有抱閘的，在抱閘動(dòng)作的時(shí)間上面，要和變頻器配合，抱閘動(dòng)作早，則變頻器過流，抱閘動(dòng)作晚，又會(huì)出現(xiàn)倒拉。經(jīng)過多次的調(diào)試，由系統(tǒng)讀取變頻器的運(yùn)行頻率，當(dāng)小于2HZ時(shí)，抱閘就直接動(dòng)作，這樣就避免了停車時(shí)的倒拉現(xiàn)象。
5、結(jié)束語
引進(jìn)艾默生公司變頻器的滌綸短纖2萬噸/年生產(chǎn)線，自投入生產(chǎn)一年多以來，一致穩(wěn)定運(yùn)行，說明了艾默生TD3000變頻器共直流母線調(diào)速技術(shù)是可靠的，通過利用這一新技術(shù)，節(jié)約了大量的電能，減少了日常的維護(hù)量，而且，使用這一技術(shù)后，每年因檢修等而停機(jī)的情況也大大減少，效果非常的顯著。
近兩年，隨著化纖行業(yè)的迅速增長，不斷地有新系統(tǒng)投入設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，由于共直流母線的優(yōu)越性，將在這些新上的線中得到廣泛的應(yīng)用。(e
