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通信电缆的生产是通过成缆机将绝缘单芯电线绞合成型，实现高精度的小节 距，从而满足高频数字信号的传输要求。其中，单线成缆机是多股电缆生产设备之一，它具有速度高，电缆节距稳定，设备简洁等特性，其生产工艺和设备配置如图1所示。
电缆成缆设备的工作原理和作用
1、放线系统
由12台被动放线单元组成放线架，放线张力由钢带摩擦固定放线盘转轴产生，实现导线被动带张力放线。
2、牵引系统
采用多股导线、皮带压轮牵引，实现系统速度给定和系统速度基准，变频器通过RS485通信接口将速度有效值输出到PLC，PLC在处理绞弓、收线机驱动器数据后，再通过RS485接口将数据输出到绞弓和收线驱动器。
3、活套（dancer）
通过调节导线经过的过线轮配重或调节气缸气压，实现导线张力调节；收线机在收线过程中，经过活套（dancer）位置变化，将活套值送入PLC，调节由卷经变化引起的收线机收线速度的变化，实现恒线速、恒张力卷曲控制。
4、纵包带机
纵包带机是实现电缆绝缘带或者电缆屏蔽层绞合的机械装置，此装置无动力系统。电缆在绞弓和收线电缆盘的共同作用下，产生恒定的线速度和稳定的节距，使电缆向前运动和转动，从而带动电缆屏蔽层或绝缘带被动运行，而纵包带机放出带的张力则由钢带摩擦固定包带的转轴产生。
5、绞弓
绞弓与收线机共同实现高精度电缆节距的无级控制，它们的转向相同，节距由绞弓与收线机的同相速度差产生，其表达式如下：
L ：节距（由人机界面／编程计算机设定）；
v ：线速度（通过牵引机控制实现，由人机界面 ／ 编程计算机设定）；
d ：收线机收线盘卷径（收卷机初始空盘盘径，由人机界面／编程计算机设定）；
N1：绞弓转速；
N2：收线机转速。
绞弓转速表达式如下：
N1 = v╱L （1）
节距表达式如下：
L = （N1 － N2） ×π×d╱N1 （2）
由公式（1）和公式（2）可以得到收线机转速表达式（3）。
6、收线机
收线机是成品绞和电缆的收缆设备，其转速确定公式如下：
N2 = v（πd－L）╱πdL （3）
7、排线机
排线机是在电缆收线过程中排列电缆的机械设备，其运行速度与收线机有效收线速度成线性比例关系，排线速度等于K×N2，K值可以根据实际运行情况进行调整。
8、可编程控制器PLC
完成系统逻辑控制，实现收线机、绞弓和排线机驱动给定信号的处理。系统设定值在“人机界面／编程计算机”中设定后，通过RS485接口送至PLC，PLC根据收线、绞弓驱动运行速度，由上述公式得到绞弓、收线机实际运行速度，通过检测活套位置，微调收线机速度，计算出实际收线盘外径。
9、人机界面／编程计算机
用于PLC编程，是系统监视控制上位机，可以完成系统数据统计、故障报警和运行参数设定等功能。
如果系统没有配备监控计算机，上述的设定值可通过拨码开关直接在PLC中设定。收线机与绞弓的转向相同，彼此独立，没有任何机械联系。原系统的收线机设置在绞弓设备上，绞弓体积庞大，
转速不可能太快，速度仅为200rpm／min，收线速度60m／min。改造后的机械设计方式，使绞弓结构小巧、紧凑，转速可以达到1000rpm／min，收线速度达到180m／min，大大地提高了生产效率。
收线机与绞弓是产生内节距的关键设备，其速度的稳定性和精度直接影响电缆节距和频宽特性，这两台设备的驱动器选用非常重要。经过对众多品牌变频器的技术、性能和综合价格比较后，决定选用艾默生EV2000变频器作为收线机和绞弓的驱动。为了满足设备的速度精度要求，驱动器速度反馈采用编码器反馈，能改善系统力矩响应。收线机和绞弓属于大惯量设备，为了满足降速和恒速运行过程中的快速调速响应性能，电机会产生能量回馈，为了避免变频器直流母线电压过高，在驱动器上加装了制动单元和制动电阻。牵引机和排线机采用艾默生EV1000变频器，由于牵引机是整套系统速度的基准点，采用了测速反馈系统，提高系统速度精度。
艾默生变频器的稳定性和可靠性在设备额定运行中起到了非常重要的作用，设备改造的成功，表明变频器的运行完全胜任系统的复杂要求。
1.系统增益的概念和意义
系统增益ks又称速度增益、开环增益，它是进给伺服系统的重要性能参数，其定义是单位位置误差△d所能控制的速度f，其量纲是1/sec：
ks=f/△d(1/sec) (1)
图1 传递函数简化框图
图1中：kn方框是位置控制单元的传递函数，kn是位置环增益（对比例调节而言）；ka方框是速度控制单元的传递函数，ka是速度环增益；km/s方框是的传递函数，km是电机的增益系数；l/2π方框是机械执行单元的传递函数，l是传动丝杆的螺距；kfp方框是位置控制单元的传递函数，kn是位置检测比例系数；则此时进给伺服系统的传递函数为：
2.ks对系统动态性能（速度、加速度）的影响
系统的位置输入与位置输出的关系
在进给过程中位置输入可以看成是系统的斜坡激励：
讨论
系统增益ks越大，则时间常数越小，达到指令速度的时间越短，即系统响应快或系统灵敏度高。
系统的加速度与系统增益ks成正比例，即系统增益大，则加速度大。系统在刚启动的一瞬间，即时的加速度为
可见当然启动时，ks越大可使系统的响应加快，但对系统的冲击也大，尤其对惯性较大的系统，将产生很大的冲击力，加速度太大也可能系统超调，引起系统失稳。系统增益ks不能太大。
3.ks与跟随误差△d的关系
系统的跟随误差为：
可知速度一定时，系统增益ks越大，则系统的稳态位置误差越小，即系统的随动误差小或者说跟随精度高。
对系统的灵敏度、系统增益ks和系统的加速度这三个因素，在确定它们的数值时要进行折衷考虑。这样才能使系统获得较好的动态性能。
4.数控系统中ks的选取和设定方法
ks的初选方法
在工程调试中，ks可按下列方式初选：
mm、ml：分别是电机的输出转矩和负载转矩；gdm、gdl：分别是电机转子和负载等效飞轮惯量。
ks的设定方法
由前面的推导可知：
其中：ka、km、l/2π在数控系统、伺服系统和机械系统选定后便确定了，而kn是作为可调参数，允许用户根据具体情况选定，以满足系统的稳定性和快速度性的要求。通常在数控系统或伺服驱动单元中可对kn进行设定。
进给伺服系统是接受数控系统发出的位置与速度指令，驱动执行部件在一定切削条件下进行加工的控制系统。从自动控制的角度来看，位置指令是系统的一个控制输入，与切削或使用条件有关的负载可以说是系统的干扰输入。执行机构的位置（角位移或直线位移）是系统的输出。进给伺服系统典型的逻辑结构如图1所示：
图1 进给伺服系统典型的逻辑结构
则该系统的控制模型框图如图2所示：
图2 进给伺服系统控制模型框图
图2中方框中传递函数的含义是：g1(s)是控制系统的传递函数，它是指位置控制单元、速度控制单元和综合控制作用的等效传递函数；g2(s)是被控对象的传递函数，这里是指机械执行部件的传递函数；h(s)是反馈系统的传递函数，这里是指位置检测单元的传递函数；
图2中方框中传递函数的含义是：r(s)是输入信号，这里是指cnc装置输出的由插补指令累计的指令位置值xc；c(s)是输出信号，这里是指机械执行部件工作台的位移量xd；e(s)是偏差信号，这里是指跟随误差△d；b(s)是反馈信号，这里是指工作台的实际位移量xa；n(s)是噪声信号，这里主要是指负载干扰，m(s)是控制量，这里是指伺服电机的较位移。图4-36模型的闭环传递函数为：
式中gk(s)为上述系统的开环传递函数，即有：
gk(s)=g1(s)g2(s)h(s)
对于图3所示的典型进给伺服系统逻辑结构，其传递函数框图可用图3表示，限于篇幅，其推导过程将不在这里展开了，有兴趣的学员可参看参考教材第244页 [廖效果等《数控技术》 武汉：湖北科学技术出版社，2000]。
图3 传递函数框图
由图可知：x0是对xc和fd两个激励的响应，根据叠加原理，可先分别求出每个激励单独作用的响应，进行叠加。
当fd=0时，仅有xc激励的传递函数为
(1)
2)
式中的系数：a、b、c、d、e、h、d'、e'是由框图中的参数计算出的，具体表达式可参看参考教材 第245页 [廖效果等《数控技术》武汉：湖北科学技术出版社，2000]。
当xc、fd激励时系统的响应为：
(3)
(4)
显然它是一个复杂的5阶系统，其传递函数也将是相当复杂的，若依据该函数研究系统性能参数的特性也将是很繁琐的。在实际中，当只定性研究系统的性能参数时，可在一定的条件下对系统进行简化，实践证明这种简化将不会对所研究性能参数的本质特征产生影响。
一．引言
随着经济的快速发展，电能的短缺问题越来越突出，节能也越来越受到人们的关注。由于变频器具有显著的节能效果和优良的调速性能等优点，在现代化的生产企业中用变频器来驱动电动机应用越来越广泛。在宣伟涂料一期工程中，就大量使用了罗克韦尔公司A-B品牌的PowerFlex700的变频器。
宣伟（Sherwin－Williams）涂料有限公司于1866年成立，具有一百多年的历史，是美国大的涂料生产商和供应商，是世界500强企业之一。目前在中国设有两家分厂，广东东莞和上海嘉定。
上海慧桥电气自动化有限公司是RockwellAutomation在华东地区全系列产品代理商。公司从事工业自动化产品的分销和自动化系统工程集成。公司拥有一支高素质、高效率的销售和工程技术队伍，为用户提供先进、可靠、实用的的自动化产品和系统的解决方案。
二．工程系统概述
宣伟涂料FBCS控制系统PLC采用Rockwell公司SLC500 系列PLC，共有一个机架和五个Remot I/O机架；主机架与从机架采用Remote I/O通讯方式，用Remote I/O电缆连接，共两路；共有五个防爆控制柜和一个控制柜，防爆控制柜上均有一触摸屏，每个触摸屏均可运行RSView ME Station Runtime对现场设备进行就地控制操作，每个触摸屏与PLC CPU采用Ethernet TCP/IP通讯方式，光缆连接；网络机柜一个，在涂料办公室内，柜内共有3COM16口Switch Hub一个、光电转换器六个，均为机架式装配。
宣伟涂料FBCS系统分罐区和涂料车间两部分组成。灌区由Header7（溶剂进料区）和Header8（树脂进料区）组成。涂料车间由Header1（铁器中间混料罐）、Header2（铁器混料罐）、Header3（铁器高速分散罐）、Header4（铁器树脂小加量）、Header9（小批量生产区）、去离子水系统、自来水系统、冷热水系统、真空泵系统以及氮气系统等组成。
在涂料的生产过程中，需要把一些化工原料按比例的混合在一起，根据生产工艺进行搅拌和混合，使之发生物理和化学的反应。在宣伟涂料一期工程中，是一个反应釜式的应用，功率从15HP到150HP不等，共有20台变频器，使用的是PowerFlex700变频器。
A-B品牌的PowerFlex700变频器具有优良的调速性能和显著的节能效果。控制方式有无速度矢量传感器控制、转矩直接控制和传统的电压/频率控制。其中矢量控制采用了A-B获专利的磁场定向控制方法，具有分开独立控制电动机的磁场和转矩，使得变频器在零速时仍能产生满转矩。其性能可与直流调速相媲美。灵活的控制方法和强大的网络通讯能力使得PF700应用在各种不同的领域和满足苛刻的控制要求。
下图是搅拌机调速系统的组成图：
变频器控制接线图： 根据生产需要和要求，变频器既可以在设备旁由操作工进行现场控制，也可以通过网络在远端监控变频器。如果采用ControlNet网，在PowerFlex700上加一块ControlNet网卡就可以进行实时的监测和控制了。这样的话，只要在办公室就可以通过电脑查看到每一个变频器的运行状态。
变频器网络系统组成示意图
三. 系统功能及应用
1．变频器的安装
PF700 变频器采用柜内安装，安装十分简单，除了通常的三根电源线输入，三根输出以外，变频器的接地也十分重要。由于电动机距离变频器有一百多米，输入和输出侧都安装了电抗器用来滤波和抑制反射波电压。
2．系统的调试
根据现场的实际要求，该工程中用了以下几个功能：
（1）. 自动整定
调试的步就是把电动机的铭牌数据准确无误的输入到变频器中，变频器的微处理器就根据所输入的电动机数据建立一个数学模型，为了使这个数学模型和实际的电动机的特性一一匹配，要进行参数的整定。
异步电动机的矢量控制系统是基于转子磁通保持不变的、用磁场定向方式以达到瞬时转矩可控的高精度驱动系统。矢量控制的质量依存于电动机参数的正确程度。通常，电动机参数是根据电动机空载、堵转试验的结果再用公式进行计算求出。若把它们用于一般传动的稳态特性计算，可以认为符合精度要求。但若用于矢量控制的高精度系统，尚须再运行中对参数进行修正。实现矢量控制的前提是正确设定电动机等效电路的参数，亦即逆变器与电动机参数必须匹配成为一对一的整体。由于在运行中电动机温升变化引起转子电阻和时间常数变化，将影响磁场定向。需要在运行中对系统的某几个参数（如定子电阻、转子电阻、放大系数等）进行自动侦测和调整。自动整定分为动态整定和静态整定，区别是动态整定电动机是要旋转的，而静态整定是不旋转的。
（2）. 网络通讯与监控
PF700变频器具有强大的网络通讯能力，可以应用在各种不同的网络上，如：ControlNet,DeviceNet,EtherNet/IP,RS485,Remote I/O等。变频器有各种网络的适配卡，只要把网络适配卡安装在变频器上，就可以轻松进行网络通讯和网络控制，以及和PLC、上位机联网通讯。上位机使用的是A-B的触摸屏PanelView，使用ControlNet网络来和PLC、上位机通讯。通过网络，厂长就可以在办公室轻松查看全厂设备的运行状况。通过ContralNet网络，工程师可以在办公室实现对全厂变频器的参数的监测和控制，可以根据生产工艺的变化而方便调整变频器的各项参数的设定。
（3）. 飞速启动功能设置
在混合的化工原料中，有的是呈浆糊状的，有的是呈液体状的。如果是液体状的，在高速旋转的电动机由于某种原因停止了，发现后会很快的又启动，这时电动机还没有完全停止旋转，往往会发生过流故障而使变频器无法启动，为了避免这种情况的发生，我们使能了飞速启动功能。
飞速启动功能适用于将已经旋转的电动机尽可能快地与变频器连接，并继续平稳地工作，对负载或速度带来尽可能小的影响。当变频器执行一个常规的起动时，通常会从0Hz的初始启动频率按斜坡上升到一个指定的频率。如果此时电动机有一定的旋转速度，就会产生很大的电流，如果限流装置的反应不够及时，将导致过流跳闸。变频器启动时，在旋转的电动机上有残磁存在的话，过流跳闸的可能性就更大。限流装置反应足够及时，能避免过流跳闸，结果也是将电动机减速到一个极慢的速度，再重新加速到设定的频率。这样的话在设备上会产生一个极大的机械冲击力，潜在地增加停工和维修费用的可能。
用飞速启动模式，变频器接到启动命令，开始识别电动机的转速，使变频器的初始输出与旋转的电机在频率、幅度和相位上保持同步，在当时的转速下与电动机进行电气连接，平滑地加速到设定的频率。这样就避免了过流跳闸的可能，并极大地缩短了电动机到达设定频率地时间。由于电动机是在自身的旋转速度下与变频器进行平滑连接，按斜坡加速到指定的速度，在整个过程中几乎没有或很少产生机械冲击。
（4）.过载保护
过载能力的高低直接影响到生产的连续性。一般来说，过载保护能力是衡量变频器可靠性的一个重要指标。过载能力的强弱与允许过载的时间和允许过载的百分比有关，呈反时限特征。PF700变频器的间歇过载时间是：110％过载可持续1分钟；150％过载可持续3秒。如果是重载应用的话是150％的过载可持续1分钟。电流限制的极限值可从20％～160％编程设定。由于有的化工原料混在一起后就成了呈浆糊状，特别粘稠，在搅拌的过程中，阻力特别大，很容易过流，这时就要电流限制，否则就很容易烧马达。
（5）. 跳跃频率
旋转的机械设备自身具有机械谐振点，在调速的过程中必须要避开这些谐振频率点，防止损害设备。
PF700变频器具有跳跃频率或临界避免频率的功能，可以保证电动机不会持续运行在一个或多个具有损害性的谐振频率。谐振频率被编入跳跃频率参数中，在这些频率附近编一个带宽，创建一个跳跃带以避开引起共振的区域。变频器提供了3个跳跃频率来对付不同的谐振点。
正常的加速和减速是不会受这些跳跃频率的影响的，因为驱动器的输出将按斜线连续地穿越整个频带。当要求地变频器连续运行在建立的频带范围内时，变频器会改变输出频率，保持在频带之外，直到给定新的速度命令。
（6）. S曲线
宣伟涂料搅拌机是通过电动机带动传送带来使搅拌片旋转起来的。为了防止启动时的突加转矩作用于传送带上，会导致皮带飞脱和断裂，使用S曲线功能来避免这种现象的发生。
当负载从稳速变为加速或减速时，这种过渡通常是瞬时的，亦然。这种现象如同在换档的车上踩离合器。这种突然的动作会在机械上产生相当大的冲击力。在传动带驱动系统中，会造成传动带飞脱或断裂。变频器可以使用这个功能有效的控制这种突然变化和加速度的速率。
四．结束语
变频器使用半年多来，工作稳定，加上其完善的功能，高可靠性和卓越的控制性能，至今未出现任何问题，应用十分成功，收到了良好的效果，客户十分满意。