基于轉(zhuǎn)矩控制模式卷紙機(jī)收卷恒張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙瑞林，王宗哲

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.西北電力建設(shè)第三工程有限公司 陜西 咸陽712000）

基于轉(zhuǎn)矩控制模式卷紙機(jī)收卷恒張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙瑞林1，王宗哲2

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000；2.西北電力建設(shè)第三工程有限公司 陜西 咸陽712000）

針對(duì)在卷紙機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中為了取得卷紙張力控制和調(diào)節(jié)信號(hào)的目的，采用伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)，組成高精度的張力自動(dòng)平穩(wěn)、轉(zhuǎn)換的恒張力控制系統(tǒng)，通過檢測(cè)出卷紙半徑R，隨著R的變化測(cè)試調(diào)節(jié)自動(dòng)適應(yīng)的轉(zhuǎn)矩M，可準(zhǔn)確的取得正比于卷徑的張力控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)卷紙機(jī)收卷的恒張力控制。

卷紙機(jī)；轉(zhuǎn)矩控制模式；伺服驅(qū)動(dòng)；恒張力控制

在造紙機(jī)卷紙自動(dòng)控制系統(tǒng)中，為了取得卷紙張力控制和調(diào)節(jié)信號(hào)，張力控制系統(tǒng)必須具有張力檢測(cè)與自動(dòng)適應(yīng)控制單元，如何檢測(cè)出卷紙直徑R并對(duì)張力F進(jìn)行控制，組成高精度的張力自動(dòng)平穩(wěn)、轉(zhuǎn)換的恒張力控制系統(tǒng)，這是卷紙機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)[1]。卷紙機(jī)位于在造紙機(jī)的末端，用來把紙卷繞成卷，保證紙卷纏卷得緊，兩邊整齊和在卷筒的全寬上松緊一致，是紙的保存和加工的必要條件[2]。

1 控制要求

卷紙機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。卷紙機(jī)在卷紙時(shí)，壓紙輥將紙壓在托紙輥上，卷紙輥在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下卷紙，托紙輥與壓紙輥也隨之旋轉(zhuǎn)，當(dāng)收卷的紙達(dá)到一定長度時(shí)切刀動(dòng)作，將紙切斷，然后開始下一個(gè)卷紙過程，卷紙的長度由與托紙輥同軸旋轉(zhuǎn)的編碼器來測(cè)量[4]。

卷紙系統(tǒng)由PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)、卷紙機(jī)組成[5]。

控制要求如下：

1）按下起動(dòng)按鈕后，開始卷紙，在卷紙過程中，要求卷紙張力保持不變，即卷紙開始時(shí)要求卷紙輥快速旋轉(zhuǎn)，隨著卷紙直徑不斷增大，要求卷紙輥的轉(zhuǎn)速逐漸變慢，當(dāng)卷紙長度達(dá)到100 m時(shí)切刀動(dòng)作，將紙切斷[6]。

圖1 卷紙機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

2）按下暫停按鈕時(shí)，機(jī)器工作暫停，卷紙輥停轉(zhuǎn)，編碼器記錄的紙長度保持，按下起動(dòng)按鈕后機(jī)器工作，在暫停前的卷紙長度上繼續(xù)卷紙，直到100 m為止。

3）按下停止按鈕時(shí)，機(jī)器停止工作，不記錄停止前的卷紙長度，按下起動(dòng)按鈕后機(jī)器重新從0開始卷紙[7]。

2 控制線路圖

卷紙機(jī)的收卷恒張力控制線路圖如圖2所示。

圖2 卷紙機(jī)的收卷恒張力控制線路圖

電路工作過程如下：

1）電路的工作準(zhǔn)備

220 V的單相交流電源經(jīng)過開關(guān)NFB送到伺服驅(qū)動(dòng)器的L11、L21端，伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部控制電路開始工作，ALM端內(nèi)部變?yōu)镺N，VDD端輸出電流經(jīng)繼電器RA線圈進(jìn)入ALM端，RA線圈得電，電磁制動(dòng)器外接RA觸點(diǎn)閉合，制動(dòng)器線圈得電而使抱閘松開，停止對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)制動(dòng)，同時(shí)附屬電路中的RA觸點(diǎn)也閉合，接觸器MC線圈得電，MC主觸點(diǎn)閉合，220 V電源送到伺服驅(qū)動(dòng)器的L1、L2端，為內(nèi)部的主電路供電[8]。

2）收卷恒張力控制

第一，起動(dòng)控制。按下起動(dòng)按鈕SB1，PLC的Y0、Y1端輸出為ON，伺服驅(qū)動(dòng)器的SP1、ST1端輸入為ON，伺服驅(qū)動(dòng)器按設(shè)定的速度輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)卷紙輥旋轉(zhuǎn)進(jìn)行卷紙[9]。在卷紙開始時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器U、V、W端輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率較高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較快，隨著卷紙輥上的卷紙直徑不斷增大時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率自動(dòng)不斷降低，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸下降，卷紙輥的轉(zhuǎn)速變慢，這樣可保證卷紙時(shí)卷紙輥對(duì)紙的張力恒定。在卷紙過程中，可調(diào)節(jié)RP1、RP2電位器，使伺服驅(qū)動(dòng)器的TC端輸入電壓在0~8 V范圍內(nèi)變化，TC端輸入電壓越高，伺服驅(qū)動(dòng)器輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅度越大，伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩越大。在卷紙過程中，PLC的X0端不斷輸入測(cè)量卷紙長度的編碼器送來的脈沖，脈沖數(shù)量越多，表明已收卷的紙張?jiān)介L，當(dāng)輸入脈沖總數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，說明卷紙已達(dá)到指定的長度，PLC的Y5端輸出為ON，KM線圈得電，控制切刀動(dòng)作，將紙張切斷，同時(shí)PLC的Y0、Y1端輸出為OFF，伺服驅(qū)動(dòng)器停止輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，停止卷紙[10]。

第二，暫停控制。在卷紙過程中，若按下暫停按鈕SB2時(shí)，PLC的Y0、Y1端輸出為OFF，伺服驅(qū)動(dòng)器的SP1、ST1端輸入為OFF，伺服驅(qū)動(dòng)器停止輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，停止卷紙，與此同時(shí)，PLC將X0端輸入的脈沖數(shù)量記錄保持下來[11]。按下起動(dòng)按鈕SB1，PLC的Y0、Y1端輸出又為ON，伺服電動(dòng)機(jī)又開始運(yùn)行，PLC在先前記錄的脈沖數(shù)量上累加計(jì)數(shù)，直到達(dá)到指定值時(shí)才讓Y5端輸出ON，進(jìn)行切紙動(dòng)作，并從Y0、Y1端輸出OFF，讓伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，停止卷紙。

第三，停止控制。在卷紙過程中，若按下停止按鈕SB3時(shí)，PLC的Y0、Y1端輸出為OFF，伺服驅(qū)動(dòng)器的SP1、ST1端輸入為OFF，伺服驅(qū)動(dòng)器停止輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，停止卷紙，與此同時(shí)Y5端輸出ON，切刀動(dòng)作，將紙張切斷，另外PLC將X0端輸入反映卷紙長度的脈沖數(shù)量清零，這時(shí)可取下卷紙輥上的卷紙，再按下起動(dòng)按鈕SB1后可重新開始卷紙[12]。

3 參數(shù)設(shè)置

伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)置內(nèi)容如表1所示。

在表中：將No.0參數(shù)設(shè)為0004，讓伺服驅(qū)動(dòng)器工作在轉(zhuǎn)矩控制模式；將No.8參數(shù)設(shè)置為1000，讓輸出速度為1000 r/min；將No.11、No.12參數(shù)均設(shè)置為1000，讓速度轉(zhuǎn)換的加、減速度時(shí)間均為1 s（1 000 ms）；將No.20參數(shù)設(shè)為0010，其功能是在停電再通電后不讓伺服電動(dòng)機(jī)重新起動(dòng)，且停止時(shí)鎖定伺服電動(dòng)機(jī)；將No.41參數(shù)設(shè)為0001，其功能是讓SON信號(hào)由伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部自動(dòng)產(chǎn)生，LSP、LSN信號(hào)則由外部輸入[13]。

表1 伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)置內(nèi)容

4 PLC控制程序設(shè)計(jì)

圖3所示為卷紙機(jī)的收卷恒張力控制梯形圖。

下面對(duì)照?qǐng)D2來說明圖3所示梯形圖的工作原理。

卷紙系統(tǒng)采用與托紙輥同軸旋轉(zhuǎn)的編碼器來測(cè)量卷紙的長度，托紙輥每旋轉(zhuǎn)一周，編碼器會(huì)產(chǎn)生N個(gè)脈沖，同時(shí)會(huì)傳送與托紙輥周長S相同長度的紙張[14]。傳送紙張的長度L、托紙輥周長S、編碼器旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)N與編碼器產(chǎn)生的脈沖總數(shù)D滿足下面的關(guān)系對(duì)于一個(gè)卷紙系統(tǒng)，N和S值一般都是固定的，而傳送紙張的長度L可以改變，為了程序編寫方便，可將上式變形為例如，托紙輥周長S為0.05 m，編碼器旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)N為1 000個(gè)脈沖，那么傳送紙張的長度L為100 m時(shí)，編碼器產(chǎn)生的脈沖總數(shù)D=100×PLC采用高速計(jì)數(shù)器C235對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，該計(jì)數(shù)器對(duì)應(yīng)的輸入端子為M0[15]。

圖3 卷紙機(jī)的收卷恒張力控制梯形圖

5 結(jié)束語

利用伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)，可準(zhǔn)確的取得正比于卷徑的張力控制信號(hào)。這種方法具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、線性度較好、經(jīng)濟(jì)性高等特點(diǎn)，采用轉(zhuǎn)矩模式為卷紙恒張力控制提供了一個(gè)切實(shí)可行的控制方案。此方案同樣適用于其他類似張力的控制系統(tǒng)。

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Based on the torque control mode to receive a roll of paper rolconstant tension control system design

ZHAO Rui-lin1，WANG Zong-zhe2
（1.College of Electrical Engineering，Shannxi Poletechnic Institute，Xianyang 712000，China；2.Northwest Power Construction Third Engineering Co.Ltd，Xianyang 712000，China）

For tension reel automatic control system in order to achieve the purpose of controlling and regulating the tension roll signal， servo system， the torque reference signal， consisting of high-precision automatic smooth conversion of constant tension control system，by detecting the volume paper radius R，with R adjusted automatically adapt to changes in the test torque M，can be accurately made proportional to the roll diameter tension control signals to achieve constant tension control winding of the reel.

rolls of paper machine； torque control mode； servo drive； constant tension control

TN709

A

1674－6236（2017）12-0081-04

2016-05-31稿件編號(hào)：201605304

趙瑞林（1976—），男，陜西寶雞人，碩士研究生，副教授。研究方向：控制工程與控制理論。