基于恒張力自動(dòng)控制系統(tǒng)的擠出復(fù)合機(jī)改造

司云萍

（中山市技師學(xué)院，廣東中山 528400）

0 引言

現(xiàn)有一臺(tái)1992年生產(chǎn)的德國(guó)DAVIS-STANDARD公司生產(chǎn)的擠出復(fù)合生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線第二副放卷部位采用手動(dòng)調(diào)節(jié)輸出氣壓控制剎車(chē)盤(pán)，達(dá)到設(shè)定制動(dòng)力矩的目的。

由于該控制方式簡(jiǎn)單落后，張力控制不穩(wěn)定。因此，在生產(chǎn)過(guò)程中，印刷薄膜容易起皺，節(jié)距易拉升，產(chǎn)品不良率較高，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足產(chǎn)品質(zhì)量的要求。因此，筆者決定對(duì)第二副放紙張力控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用以張力控制器為主的張力閉環(huán)控制系統(tǒng)代替原手動(dòng)調(diào)壓開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。

1 改造方案設(shè)計(jì)

（1）改造前的控制方式

在系統(tǒng)改造之前的設(shè)備是使用手動(dòng)張力控制，其控制流程如圖1所示。該控制系統(tǒng)采用手動(dòng)調(diào)節(jié)氣壓閥來(lái)控制輸出氣壓大小，從而改變氣壓式剎車(chē)盤(pán)的制動(dòng)力矩，屬開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，輸出與輸入之間無(wú)反饋信號(hào)，導(dǎo)致無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)張力大小。

圖1 手動(dòng)控制張力系統(tǒng)

圖2 自動(dòng)控制張力系統(tǒng)

（2）改造后的控制系統(tǒng)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)考慮到放卷部位有A軸和B軸不停機(jī)接紙機(jī)構(gòu)，筆者設(shè)計(jì)采用PLC來(lái)控制張力的投入和停止，控制A軸和B軸之間張力的切換，由PLC、張力控制器、張力傳感器、電空變換器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2所示。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的元件選擇

根據(jù)該擠出復(fù)合設(shè)備生產(chǎn)的各種產(chǎn)品的規(guī)格要求，放卷時(shí)需要保證張力恒定，張力范圍要求為40～430 N。

（1）張力控制器

張力控制器是一種控制張力的儀表，一般是由單片機(jī)及其外圍電路組成的器件，張力控制系統(tǒng)一般主要由張力控制器、張力讀出器、張力檢測(cè)器組成?？刂茣r(shí)，設(shè)定好要求控制的張力值后，將張力傳感器實(shí)時(shí)發(fā)出的信號(hào)作為張力反饋值，通過(guò)比較兩個(gè)值后得出偏差，輸入到PID（比例-積分-微分）控制器進(jìn)行處理。最后再將輸出的信號(hào)給外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最終達(dá)到偏差最小，系統(tǒng)響應(yīng)最快的目的，如圖3所示。

圖3 張力控制器的控制流程

P（比例）環(huán)節(jié)作用：對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行瞬間快速反應(yīng)。該環(huán)節(jié)用來(lái)控制當(dāng)前，誤差值和一個(gè)負(fù)常數(shù)P（表示比例）相乘，然后和預(yù)定的值相加。P只是在控制器的輸出和系統(tǒng)的誤差成比例的時(shí)候成立。這種控制器輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關(guān)系。

I（積分）環(huán)節(jié)作用：該環(huán)節(jié)可以使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。該環(huán)節(jié)用來(lái)控制過(guò)去，誤差值是過(guò)去一段時(shí)間的誤差和，然后乘以一個(gè)負(fù)常數(shù)I，然后和預(yù)定值相加。I從過(guò)去的平均誤差值來(lái)找到系統(tǒng)的輸出結(jié)果和預(yù)定值的平均誤差。

D（微分）環(huán)節(jié)作用：微分環(huán)節(jié)作用是反映偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性。該環(huán)節(jié)用來(lái)控制將來(lái)，通過(guò)計(jì)算偏差信號(hào)的一階導(dǎo)，這個(gè)導(dǎo)數(shù)會(huì)對(duì)系統(tǒng)的改變作出反應(yīng)，導(dǎo)數(shù)越大，控制系統(tǒng)就會(huì)對(duì)輸出結(jié)果作出更快速的反應(yīng)。

根據(jù)本控制系統(tǒng)的要求，選用三菱LE-40MTA-E型全自動(dòng)張力控制器。

（2）張力傳感器[3]

張力傳感器是采用應(yīng)變片電橋測(cè)試原理，如圖4所示。該傳感器能測(cè)量印刷薄膜通過(guò)張力輥時(shí)施加在張力輥的力，根據(jù)所受力的大小，輸出與之成正比的電壓信號(hào)，其安裝位置如圖5所示。

為了配套使用三菱LE-40MTA-E型張力控制器張力控制器，本改造系統(tǒng)選擇三菱生產(chǎn)的LX-100TD型張力傳感器，它的額定荷重為1 000 N，它具有響應(yīng)時(shí)間短，輸出幅度高的特點(diǎn)。

圖4 張力傳感器結(jié)構(gòu)

圖5 張力控制器的安裝實(shí)例

（3）電氣比例閥[1]

電氣比例閥的工作原理是輸出氣壓的大小根據(jù)輸入電壓的大小改變而改變，如圖6所示。根據(jù)張力放大器的輸出，本系統(tǒng)決定選用SMC公司生產(chǎn)的ITV2050-04F3L型電氣比例閥。

圖6 電氣比例閥結(jié)構(gòu)

（4）PLC（可編程控制器）

考慮到改造系統(tǒng)的靈活性，決定采用PLC來(lái)控制張力控制器的啟動(dòng)和停止以及張力的切換，以及轉(zhuǎn)架的相關(guān)動(dòng)作。根據(jù)控制要求及外圍設(shè)備選型，本改造系統(tǒng)選用三菱FX2N-32MR型PLC來(lái)控制系統(tǒng)相關(guān)動(dòng)作。

3 改造后自動(dòng)控制過(guò)程分析

（1）接線圖

改造后的控制系統(tǒng)控制線路如圖7所示。

（2）自動(dòng)控制過(guò)程

當(dāng)A軸料裝好后，轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)到運(yùn)轉(zhuǎn)位置，A軸接近開(kāi)關(guān)（X2）輸入信號(hào)，按SB0（X0）啟動(dòng)張力，此時(shí)KA1不得電，選擇A軸為工作軸，Y0輸出控制張力控制器輸出4～20 mA工作電流到A軸電氣比例閥（EPA），EPA輸出一定的氣壓制動(dòng)A軸剎車(chē)盤(pán)，張力傳感器檢測(cè)相應(yīng)的張力反饋至張力控制器。當(dāng)檢測(cè)值＜設(shè)定值時(shí)，張力控制器輸出電流增大，EPA輸出更高的氣壓至A軸剎車(chē)盤(pán)，A軸制動(dòng)力矩增大；當(dāng)檢測(cè)值=設(shè)定值時(shí)，張力控制器保持原來(lái)的輸出電流，EPA保持原來(lái)的氣壓，A軸制動(dòng)力矩不變；當(dāng)檢測(cè)值＞設(shè)定值時(shí)，張力控制器輸出電流減小，EPA輸出氣壓降低，A軸制動(dòng)力矩減小，直到檢測(cè)與設(shè)定值達(dá)到平衡。當(dāng)張力發(fā)生變化時(shí)，張力控制器持續(xù)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，直到設(shè)定值與檢測(cè)值達(dá)到平衡，調(diào)節(jié)才結(jié)束。

圖7 系統(tǒng)接線圖

當(dāng)A軸薄膜卷徑逐漸減小時(shí)，將裝好大卷薄膜的B軸轉(zhuǎn)到工作位置，準(zhǔn)備切紙換卷，B軸近接開(kāi)關(guān)（X3）閉合，A軸接開(kāi)關(guān)（X2）斷開(kāi)，但在未按切紙SB2（X4）前，輸出張力仍在A軸（即A軸仍是工作軸），當(dāng)薄膜減少到接近于零時(shí)，按下切紙按紐SB2，KA1吸合，此時(shí)張力輸出轉(zhuǎn)換到B軸，B軸正常運(yùn)行。同時(shí)T1吸合，延時(shí)3秒，Y2閉合，KA2吸合，張力控制器輸出制動(dòng)力矩到A軸，制動(dòng)時(shí)間為5秒，5秒后制動(dòng)結(jié)束，W1可以調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩大小。A軸停止運(yùn)轉(zhuǎn)后裝新卷薄膜，準(zhǔn)備下次換卷。

（3）PLC程序編制

改造系統(tǒng)的I/O表如表1所示。根據(jù)表1及控制過(guò)程，進(jìn)行PLC程序編寫(xiě)

表1 控制I/O表

4 系統(tǒng)運(yùn)行前的調(diào)試

（1）張力控制器配重校正

1）歸零校正（ZERO）：張力傳感器在未承受任何力的情況下，此時(shí)張力應(yīng)該為零，在張力控制器上校正零點(diǎn)。

2）配重校正（SPAN）：參照薄膜走向，在張力控制器導(dǎo)輪上配重20 kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，在張力控制器上分別校正左張力10 kg，右張力為10 kg。

（2）電氣比例閥設(shè)定。

根據(jù)工藝要求，該放卷所需要的張力為40～430 N，故設(shè)定比例閥輸入4～20 mA電流對(duì)應(yīng)0～6 kg的氣壓到剎車(chē)制動(dòng)盤(pán)，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)可以滿(mǎn)足工藝要求。

（3）張力控制器PID調(diào)節(jié)

考慮到系統(tǒng)需要反應(yīng)快速，同時(shí)要保證無(wú)靜差，抖動(dòng)不能太大，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，調(diào)整出比較合理的PID值：P=120，I=40，D=20。

5 總結(jié)

將原人工調(diào)節(jié)氣壓閥輸出制動(dòng)力矩改成現(xiàn)有的恒張力閉環(huán)控制系統(tǒng)，放卷機(jī)實(shí)現(xiàn)了張力的自動(dòng)調(diào)節(jié)，操作方便，整個(gè)系統(tǒng)采購(gòu)備件花費(fèi)1.5萬(wàn)人民幣，通過(guò)一月運(yùn)行，產(chǎn)品不良率由原來(lái)5%下降到2%，收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)然系統(tǒng)還存在不足之處，比如在切紙瞬間，新卷因?yàn)槭菬o(wú)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，速度由于跟老卷不同步，必須從零開(kāi)始加速，這在不停機(jī)接紙過(guò)程中，增加了擾動(dòng)。