西门子6GK7243-1GX00-0XE0介绍说明

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1、引言
卷取是一种常见的控制系统，广泛应用于造纸、印刷、染织等生产过程中的后续工作，以制成半成品或成品卷筒物。卷取的方式常见的有2种:摩擦卷取和中心卷取。前者对机械的要求复杂，而且卷取的效果受摩擦辊的影响很大，包括物料的光泽度、端面情况、松紧度等都会在卷取工艺中变差。后者在机械程度上很简单，卷取时只受到自重的影响，卷取的效果自然好许多，然而长期以来中心卷取的控制系统只能在直流控制或磁粉控制二者中进行选择，控制的成本很难降低。如何降低收卷系统的控制成本呢？很多人都会想到交流变频器，的确交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电以及在国民经济领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的调速方式。直流调速系统在电机传动的发展史上占有重要的地位，但由于直流电机存在维护难、抗环境能力差等原因，到了目前已严重制约了设备整机的性能价格比。而变频调速技术能最大程度上发挥了交流电机本身固有的优点(结构简单、坚固耐用、经济可靠、动态响应好等)，再加上变频调速理论业已形成一门相对独立的学科，变频调速技术的全面应用时代已经到来。
2、分纱落筒机中心放卷的变频控制
分纱落筒机是针织牛仔、牛仔面料或牛仔绣花生产中的关键设备。白色纱线经过靛蓝染色，形成的束状纱线，经过分纱整经机整经，退绕在7—8个轴盘上，每盘上形成片状40-50根的纱线，分纱落筒机就是将每盘上形成片状40-50根的纱线，以放卷形式单根地均匀地卷绕成40-50个筒子纱。因为有以下几个原因：1纱线张力非常小，由其是单根纱线张力。2退绕轴盘在满轴时半径很大，大约在800mm-1000mm。3退绕轴盘加上纱线的重量很大，它动态惯性和静态惯性较大。所以在中心放卷的过程中，随着卷径的不断减小，放卷电机的速度必须不断增大，同时又要保证的纱线张力相对平稳，由其是加减速的过程中，以防止纱线的缠绕或绷断。对于放卷系统而言，进行张力控制是核心技术，也是变频调速的难点。目前，在中心卷取中最常用的是以下2种控制方式:
(1)、速度控制卷取(SPW)，用PID通过测力传感器的张力反馈，或调节辊的位置反馈，
来修正速度给定;
(2)、电流控制卷取(CPW)，用PID调节张力给定，这一类型的控制一般是开环的。
对如此复杂的张力控制系统，变频技术必须能克服以下4个技术问题:
(1)、将复杂的交流异步电机的数学模型简单化;
(2)、考虑到张力反馈信号的延后和超调;
(3)、将卷绕张力控制过程的动态参数描述成时变函数;
(4)、保张力或转矩闭环的抗波动能力高和即时调节性好。
通常情况下，具有张力控制的变频控制系统，是建立在对变频器、电机和张力对象的
数学模型研究的基础上，它包括Ud/Id之间的传递函数、Id/M之间的传递函数、转矩
M～转速n之间的传递函数、控制电压Uk～变频器输出电压Ud之间的传递函数、物料
张力的动态数学模型。在一般情况下，张力专用的变频器由直径、转矩补偿和速度计
算等模块组成。
3、TD3300变频器的收放卷控制功能 
TD3300张力控制专用变频器是艾默生网络能源有限公司的最新产品，它具有TD3000矢量变频器的所有高性能，同时又可实现张力闭环控制和张力开环控制，以满足各种卷取和放卷要求。 
A：(1)各种卷径的计算，包括线速度计算、绕圈计算、模拟设定、上位机给定等;(2)卷径模拟输出，实现人机友好交互功能;(3)多种线速度测量方式，包括脉冲输入、模拟输入、数字输入等;(4)实现张力锥度的设定;(5)实现转矩补偿的功能，如弯曲力矩补偿、静态力矩补偿、惯性力矩补偿等;(6)具有自动换卷逻辑功能，实现在线换卷功能。
B：TD3300张力控制变频器的4种张力控制方式
(1)张力闭环控制(需要张力传感器、增加成本、控制精度最高);
(2)间接张力控制一(需要卷径传感器、增加成本、控制精度较高);
(3)间接张力控制二(成本较低、控制精度较高);
(4)间接张力控制三(成本较低、控制精度差)。
此四种方案的配置主要是考虑系统的张力控制精度要求、系统的成本要求等，用户
可以根据实际情况决定采用哪种张力控制方式。
C：4种张力控制原理和应用
(1)、张力闭环控制 
对于张力控制精度要求较高的场合，如轧卷染色机，它需要通过张力检测辊的
输出张力信号来构成张力闭环控制，对于变频器来说采用速度控制方案和PID
闭环控制。
(2)、间接张力控制一 它通过卷径传感器测量的卷径模拟信号进入变频器的模拟输
入口，而变频器则根据测量的卷径进行张力控制。这里，卷径是通过测量而不
是通过计算而得，因此张力控制的精度相对较高。分纱制筒机就采用这种方式。
(3)、间接张力控制二 在线速度可以的场合，可以采用此法，通过检测到的线
速度及电机角速度计算卷径，从而控制张力。通常应用在如干式复合机、拉幅
定型机、浆纱机等收卷系统中。
(4)、间接张力控制三 
当对张力的控制精度要求不高，卷绕材料的厚度已知且变化不频繁的情况下，
可以采用厚度累积法计算卷径，实现间接张力控制。 
4、系统方案介绍
本系统中选用了经济而实用的间接张力控制一：即张力闭环控制方案1（速度模式）
（F3.06=1），通过调节电机转速达到张力恒定。采用此模式。同步匹配频率指令的计算
：Ｆ＝(v×p×i)／(π×D) 。
首先由纱线的线速度和纱轴的当前卷径实时计算出同步匹配频率指令，然后通过张力检
测装置反馈的张力信号（F7.02反馈量输入通道选择），以张力设定值（F8.01=0 数字设
定）构成PID闭环，调整变频器的频率指令。纱线线速度由前一级线速度模块获得，
即送纱辊电机的线速度，通过AI1口进入变频器TD3300，卷径应选用外部卷径传感器，
卷径信号通过模拟输入口AI2输入，模拟输入对应0~最大卷径（F8.09）。在此方案中，
保证比较准确的同步匹配频率指令可以减少PID调节器的调节量，使系统更稳定，也就
是线速度的的正确性比较重要。
由于我们对TD3300张力控制专用的矢量型变频器的深刻了解和认识，结合我们在纺织专业上的丰富经验,使分纱落筒机放卷系统的设计非常成功，车速可达350-450m/min,而且系统非常稳定可靠。目前已为厂家生产二十余套，该设备已成为厂家生产针织牛仔纱，靛蓝关键绣花纱的关键设备，该设备为厂家创造了巨大的产品附加值。非常值得在纺织行业推广应用。

一、项目的由来

珠海经济特区玻璃纤维企业有限公司动力车间，拥有三台活塞式空压机,为全厂提供压缩空气，是重要的动力来源。我们知道如果在空压机进气管路上装上节流阀，调节时节流阀逐渐关闭，使进气受到节流，压力降低，也就是使压力系数lp减小，由排气量公式：

Q=p/4D2Slplvltlln

可知，当改变了lp时，排气量Q也就随之变化。同时，我们也注意到多级压缩机采用节流进气调节，将引起级间压力重新分配，致使活塞力均匀性受到破坏，同时使末级的排气温度升高，甚至超过许用温度。因此，调节范围受到限制，经济性比较差，再加之设备使用年限久，所以，各种气阀、活塞环、导向环等部件容易损坏，维修费时、费工，使正常的生产受到影响。1999年4月，我们与该公司经过充分地协商，决定采用闭环控制方式，对原空压机系统进行恒压供气改造。改造结果：系统供气的精度得到了提高，故障率大幅度下降，并取得了一定的节能效果，达到了预期的目的。

二、系统改造前的状况

原系统输出压力在0.6~0.75MPa之间波动。

加载时间85秒，电流115安培；卸载时间35秒，电流5安培。

压力波动对管网冲击大，加载/卸载时噪音大。

开环控制，不能保证控制精度。

起动电流大。

输压大于0.75MPa时，自动打开泄载阀，造成能源浪费。

三、系统改造后的期望指标

空压机输出压力必须控制在（0.6±0.05）MPa范围内。

软起动方式。

分段运行控制。

油温、压力报警功能。

能与原操作系统切换；与备用机组切换。

四、系统方案的设计

理论依据

从空压机排气量公式可知，汽缸的面积和长度基本是不变的，唯有系数lp、lv、lt、ll及转速n的调节，才能有效地调整排气量Q。说过各种系数的变化范围有限，这样看来，理想的调节方式就是改变转速n。连续的转速调节，优点在于气量调节连续，调节工况比功率消耗小，压缩机各级压力比保持不变，压缩机上不需要设置专门的调节机构，转速降低后，气阀和管路中的压力损失少，气体在汽缸中的热交换改善，单位气体量的功耗降低，各种易损件的寿命延长。

 

2、系统采用SIEMENSMIDI MASTER75KW变频器为执行机构，SIEMENS6ES7 214-1BC01-0XB0可编程序控制器（PLC）为控制单元，用KYB600G08AM/1Y0Y工业压力变送器对压力信号采样，反馈给PXW9智能调节仪（PID）。此信号在PID内与工艺设定信号进行叠加和运算后，作为变频器的运行给定信号。如图一所示。

三、控制系统软件的实现

控制程序框图如图二所示。当系统准备条件就绪时，（无故障，卸荷阀关闭，各种压力正常，闸开关已选择好），就可以启动运行。因为整个系统是一个快速响应过程，所以采用PI算法控制。当过程变量（PV）大于设置值（SP）时，PID输出模拟的信号减小，变频器减速运行；反之，PID输出的摸拟信号增大，变频器加速运行。如果系统压力超过PID内置上限，变频器又转到上限频率运行。

四、系统的调试和运行

99年4月底，开始了空压机系统的调试和试运行。变频器下限频率定在20HZ，上限设为50HZ，工作压力定在0.6Mpa。经过一段时间的运行，取得了以下的效果：

1、运行转速降低近50%

改造前为工频运行，压缩机转速为501转/分，改造后测定正常情况下，运行转速为268转/分，即可满足供气要求。

它使：a设备寿命延长：

活塞环：改造前，平均寿命为50天，改造后，已使用110天未更换（其中含50天全速运行），阀片冲击声。

b噪音降低，优化了工作环境。

2、供气压力稳定

改造前罐压力设定在0.60加载，0.75卸载，改造后，工作压力设定在0.60Mpa。稳定时，压力偏差0.01MPa。

3节电效果

电表对该站用电量的记录为：

改造前的4月份为45878KW.h，改造后的6月份为40645KW.h，节电5233KW.h/月。（这是由改造的1#机所得）

五、存在问题及解决办法

 

改造后，运行转速大降低，这样就出现了油压降低及马达散热条件恶化使马达运行温度升高的两大问题：

 

1、油压问题

原系统技术要求：正常压力在0.18-0.20MPa。改造后，油压在0.8-0.1之间。经调整减压阀后，油压可保持在0.12MPa。

经测定主轴外表温度，改造前为52℃，改造后（在0.1MPa下），主轴外表温度为45℃，温度低于改造前，说明能满足润滑条件。

2、马达温升问题

改造前测得的温度为48℃，改造后测得的温度最高为68℃。

查机械手册（92年版）第五册，B级绝缘，最高温度为130℃，温升为90℃；

马达的运行温度比改造前上升了20℃，但仍在允许范围，无需加强制冷却风机。

六、结论

改造后，经一年多的连续运行，证明变频器性能稳定，系统能达到恒压运行，设备寿命延长，运行噪音降低，大大减少了设备的停机维修时间，取得了预期的目的。

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