卷繞系統(tǒng)中收放卷張力控制方法研究①

葉繼英，沈曉群，姚齊國，熊 雕

(浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316022)

0 引 言

在造紙、印刷、繃帶、拉絲、軋鋼等很多場合，為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量，要求保持材料張力的恒定，以紙卷為例，需要保持紙的張力恒定，也就是要保持紙的拉力恒定［1］.早期卷繞系統(tǒng)中的收放卷生產(chǎn)系統(tǒng)存在一些缺點，比如機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制精度不高等，直接影響到工廠生產(chǎn)的正常效率和產(chǎn)品質(zhì)量.必須對卷繞系統(tǒng)的電氣控制部分進行改造，使之具有先進可靠的控制和監(jiān)測功能，以適應(yīng)高效率安全生產(chǎn)的要求.

1 收放卷張力控制原理

張力是指物體受到拉力作用時，內(nèi)部任一截面兩側(cè)存在的相互牽引力.如圖1 所示，這是一個簡化的收放卷張力控制系統(tǒng)，放卷和收卷各有一個電機，中間有牽引輥.

圖1 收放卷的張力控制系統(tǒng)

在張力控制系統(tǒng)中，紙料帶線速度的變化、卷徑的變化、機械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量的變化以及機械損耗等都可引起張力擾動，其中卷徑的變化是引起張力變化的主要原因［2］.紙卷在小卷時，卷軸的轉(zhuǎn)速要快些，這樣才能保持紙料帶的線速度不變，此時的電機轉(zhuǎn)速稍快，力矩稍小;當(dāng)紙卷慢慢變大后，卷軸的轉(zhuǎn)速要逐漸變慢，此時電機的轉(zhuǎn)速需變慢，力矩變大.整個系統(tǒng)不能因張力過大造成紙張過緊甚至拉斷，也不能因張力不足而造成紙張松弛，需保持張力恒定.以下就張力控制方法展開分析研究.

2 張力控制的方法

2.1 張力傳感器檢測張力

在簡單的卷繞控制系統(tǒng)中，假設(shè)使用的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是磁粉制動器(放卷側(cè))和磁粉離合器(收卷側(cè))，只需手動改變接在線圈兩端的電壓，磁粉磁化程度發(fā)生變化，固定部件與運動部件之間的摩擦力發(fā)生變化，引起了運動部件的運動阻力變化，同時卷繞系統(tǒng)的材料張力就得到改變［3］.

當(dāng)張力的精度要求高時，可通過張力傳感器、PID 控制器、磁粉制動器(或磁粉離合器)等組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，或者是張力傳感器、PID 控制器以及變頻器、電動機組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，另外還可在卷繞系統(tǒng)中加入觸摸屏用于全線生產(chǎn)速度和全部工藝參數(shù)的設(shè)定.PID 控制器可由PLC 的內(nèi)部模塊或者PID 指令設(shè)定.變頻器(Variable－frequency Drive，VFD)是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備.變頻調(diào)速電氣傳動調(diào)速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運行效率高，是一種理想的調(diào)速系統(tǒng)［4］.下面就以使用變頻器為例予以說明，如圖2所示:

圖2 應(yīng)用傳感器張力控制系統(tǒng)框圖

張力傳感器把檢測到的張力轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號PV(0 ～5V)送入PLC，PLC(三菱的FX 系列為例)的PID 控制指令如圖3 所示.

圖3 PID 指令應(yīng)用

設(shè)定值SV 存放在D0，當(dāng)前值PV 存放在D1，比較后得到誤差信號e =SV－PV.數(shù)據(jù)位D100 ～D124 定義參數(shù)，包括采樣周期、比例增益KP、積分時間TI、微分增益KD等.當(dāng)e ＞0 時，PV 偏小(張力偏小)，PID 輸出u 增大，變頻器變頻后的U，V，W三端輸出到電機，促使電機的轉(zhuǎn)速升高;當(dāng)e ＜0時，PV 偏大(張力偏大)，PID 輸出u 減小，變頻器變頻后輸出到電機，促使電機的轉(zhuǎn)速降低，整個調(diào)節(jié)過程一直持續(xù)到PV =SV.

2.2 超聲波測距張力控制系統(tǒng)

在卷繞系統(tǒng)中，物料的卷徑一直在變化，如果電機采用恒速旋轉(zhuǎn)，勢必會引起料帶的放松或拉緊，也就是張力失去了平衡.因此，可以采用超聲波測距的方法檢測卷徑D，再根據(jù)料帶線速度V 與電機轉(zhuǎn)速n 的關(guān)系得到轉(zhuǎn)速n 并可求出頻率f，最終信號送入放卷驅(qū)動或收卷驅(qū)動電路.

超聲波測距原理是指超聲波在測距之前，發(fā)射器先向某個方向發(fā)射出一串具有一定頻率的檢測信號，一般是8 個周期為10us 的方波，當(dāng)檢測信號在前方碰到障礙物就返回到超聲波傳感器，此時判斷前方有物體，超聲波再發(fā)出一個高電平，一直持續(xù)到信號返回并跳變?yōu)榈碗娖?因此，超聲波是從信號向外發(fā)射的同時開始計時，直到超聲波接收器接收到返回信號時停止計時，所測到的時間以高電平的形式發(fā)送給控制器［5～6］.超聲波的速度不是恒定不變的，它隨著溫度的升高而升高，常溫下超聲波的速度為334 米/秒.精度要求高的系統(tǒng)需要采用溫度補償單元，溫度傳感器可以參考選用LM35，其攝氏溫度和輸出電壓成線性關(guān)系.假設(shè)超聲波從信號發(fā)射到接收的時間差為△t，發(fā)射點距離障礙物的距離定為S1，則

超聲波發(fā)射點到卷徑中心的距離為S，S 恒定不變，則料卷的卷軸直徑D:

超聲波測距示意圖如圖4 所示:

圖4 超聲波測距示意圖

選擇HC－SR04 超聲波測距模塊，具有2 ～400cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度可達到3mm，模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路，測試距離=(高電平時間*聲速)/2.超聲波測距模塊如圖5 所示:

圖5 HS－SR04 超聲波測距模塊

單片機或者PLC 根據(jù)接收到的回響信號，提取出高電平時間△t，計算出測試距離S1并得到卷軸直徑D.卷繞系統(tǒng)中料帶測得的線速度為V，根據(jù)V=πDn/60 公式計算出電機所需的轉(zhuǎn)速n.由此可知，保持放卷速度與收卷速度一致，只需把電機轉(zhuǎn)速n 轉(zhuǎn)化為頻率f，并把此信號傳送給放卷驅(qū)動和收卷驅(qū)動單元.

當(dāng)然，超聲波測距的性能與被測物體的表面材料相關(guān)，假設(shè)在布料的卷放系統(tǒng)中使用，因布料對超聲波的反射率非常小，會嚴(yán)重影響測量結(jié)果，致使張力無法保持平衡.

2.3 兩個伺服電動機控制張力系統(tǒng)

采用兩個伺服電動機分別控制放卷和收卷.伺服電機也叫執(zhí)行電動機，控制機械器件運轉(zhuǎn)，在自動控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行機構(gòu)，可以控制轉(zhuǎn)速，它把接收到的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號轉(zhuǎn)換為電機軸上的角速度或角位移輸出以驅(qū)動控制對象.伺服電機的主要特點是轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降，信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象出現(xiàn).伺服電動機進行張力控制時，可以不使用張力傳感器，只需獲取電動機的轉(zhuǎn)速n.假設(shè)在電動機和負(fù)載輥之間連接一個減速比為m 的減速電機，料帶的線速度V，伺服電動機轉(zhuǎn)速為n，料卷的直徑設(shè)為D，則可得出如下關(guān)系式:

調(diào)整關(guān)系式可得:

根據(jù)張力F 與轉(zhuǎn)矩T 的關(guān)系可得:

在恒張力控制中，也就是F 保持不變，料帶的線速度V 給定，測出轉(zhuǎn)速n 后就可推算出力矩T.當(dāng)伺服電機接收1 個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1 個脈沖對應(yīng)的角度(步角距)，因此控制輸入脈沖的頻率就可改變伺服電動機的轉(zhuǎn)速n，當(dāng)紙卷的直徑發(fā)生變化可保持張力F 恒定.

3 結(jié) 論

三種方法各有優(yōu)缺點.張力傳感器的優(yōu)點是線性好、響應(yīng)快以及檢測范圍寬，但是不能吸收張力峰值，當(dāng)系統(tǒng)受到較強干擾時反應(yīng)滯后，料帶上的張力幅值波動增大，延緩系統(tǒng)重新進入平衡.伺服電機根據(jù)脈沖頻率變化產(chǎn)生相應(yīng)的動作變化，其響應(yīng)特性和抗過載能力高于變頻器驅(qū)動的交流電機，精度相對要高.變頻控制的精度雖然低些，但從成本考慮適用于大功率控制系統(tǒng).

［1］ 喻宏斌.紙廠收卷放卷張力的控制［J］.自動化儀表，1998，19(4):17－20.

［2］ 徐立萍，王娣.卷繞系統(tǒng)中收放卷的張力控制方法［J］.設(shè)備電器，2011，21(1):45－48.

［3］ 姚福來，孫鶴旭，楊鵬.變頻器、PLC 及組態(tài)軟件實用技術(shù)速成教程［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010:1－55.

［4］ 李強.張力控制變頻收卷的控制原理及在紡織行業(yè)的應(yīng)用［J］.變頻技術(shù)應(yīng)用，2007，19(4):106－109.

［5］ 孫綠洲，劉興苗.超聲波測距傳感器在收放卷機構(gòu)中的應(yīng)用［J］.紡織機械，2010，27(3):41－42.

［6］ 羅索楓.智能教學(xué)機器人避障系統(tǒng)的研究［J］.科學(xué)咨詢，2012，13(19):71－72.