復(fù)卷機(jī)伺服張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

馬文明 李文文

（西京學(xué)院，陜西西安，710123）

紙卷復(fù)卷機(jī)在工作過(guò)程中，紙幅的張力受很多因素影響，如果張力波動(dòng)不能及時(shí)得到調(diào)整，將會(huì)使紙卷質(zhì)量下降，造成紙卷緊度不夠、拉斷、褶皺、卷邊不齊等現(xiàn)象出現(xiàn)，因此保持紙幅張力穩(wěn)定對(duì)復(fù)卷機(jī)來(lái)說(shuō)很重要[1]。本研究通過(guò)張力傳感器對(duì)紙幅張力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合磁粉制動(dòng)器恒扭矩、線性強(qiáng)的特點(diǎn)，將張力傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)輸入給控制器，控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理給磁粉制動(dòng)器輸出激勵(lì)電流進(jìn)行電磁力矩的控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)紙幅張力的穩(wěn)定控制。為了解決紙幅邊緣不齊現(xiàn)象，使用線性驅(qū)動(dòng)器和永磁低速電機(jī)進(jìn)行搭配，對(duì)紙幅卷邊進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1 復(fù)卷機(jī)生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介

復(fù)卷機(jī)的工作過(guò)程如圖1所示。從圖1可見(jiàn)，紙幅由退紙輥引出，先經(jīng)過(guò)1#和2#隨動(dòng)輥，然后通過(guò)張力傳感器輥，再經(jīng)過(guò)3#和4#隨動(dòng)輥?zhàn)詈筮M(jìn)入卷紙輥，在1#和2#隨動(dòng)輥以及3#和4#隨動(dòng)輥之間均裝有糾偏傳感器，在退紙輥和卷紙輥部位均安裝有糾偏裝置。

退紙輥是復(fù)卷機(jī)工作過(guò)程中張力控制的主要部位，它和張力傳感器共同來(lái)完成紙幅的張力恒定控制；隨動(dòng)輥對(duì)紙幅在運(yùn)行過(guò)程中起到協(xié)助引導(dǎo)作用；退紙輥糾偏傳感器和退紙輥糾偏裝置共同完成紙幅輸出位置的恒定；卷紙輥傳感器和卷紙輥糾偏裝置共同完成紙幅卷取過(guò)程中邊緣整齊[2]。

2 復(fù)卷機(jī)張力控制方法的選擇

復(fù)卷機(jī)張力采取閉環(huán)控制，通過(guò)張力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)紙幅張力與退紙輥構(gòu)成閉環(huán)控制，張力傳感器將檢測(cè)到的紙幅張力反饋給控制器，控制器控制退紙輥電磁力矩調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)紙幅的恒張力控制[3]。在控制退紙輥電磁力矩的同時(shí)還必須保證卷紙輥與退紙輥線速度一致，否則紙幅張力將得不到很好的保證。

2.1 退紙輥張力控制

圖1 復(fù)卷機(jī)工作過(guò)程示意圖

張力傳感器檢測(cè)到的紙幅張力與設(shè)定的紙幅張力進(jìn)行對(duì)比，差值經(jīng)過(guò)控制器處理好作為電磁力矩補(bǔ)償，對(duì)磁粉制動(dòng)器的電磁力矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)紙幅張力調(diào)節(jié)的目的，退紙輥張力控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示[4]，其中，F(xiàn)sp為張力的設(shè)定值，F(xiàn)為張力傳感器的反饋值，ef為張力偏差值，ΔT為電磁力矩的調(diào)節(jié)量。

2.2 復(fù)卷機(jī)的速度控制

在復(fù)卷機(jī)工作過(guò)程中，要保證卷紙輥和退紙輥線速度一致才能保證紙幅張力得到良好的控制，如果卷紙輥和退紙輥線速度不一致將造成速差，對(duì)紙幅張力控制造成一定影響。本研究對(duì)卷紙輥和退紙輥線速度采用PI控制算法進(jìn)行處理，通過(guò)安裝在退紙輥和卷紙輥的編碼器，實(shí)時(shí)采集紙幅線速度后與設(shè)定值進(jìn)行比較，將速度差經(jīng)過(guò)PI控制算法進(jìn)行處理后作為電機(jī)電壓補(bǔ)償對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到退紙輥和卷紙輥線速度恒定的目的[5-6]。退紙輥和卷紙輥速度控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，其中，vsp為速度設(shè)定值，v為編碼器反饋的速度值，e為速度偏差值，Δu為電壓的補(bǔ)償值。

2.3 退紙輥和卷紙輥的糾偏控制

退紙輥和卷紙輥糾偏示意圖如圖4所示，其中糾偏裝置由永磁低速同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由2個(gè)限位開(kāi)關(guān)和4個(gè)滑輪構(gòu)成。在復(fù)卷機(jī)工作過(guò)程中，安裝在退紙輥后側(cè)和卷紙輥前側(cè)的糾偏傳感器對(duì)紙幅的邊緣運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，根據(jù)光電眼是否被遮擋來(lái)進(jìn)行控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，限位開(kāi)關(guān)的設(shè)置則是為了防止紙幅在糾偏調(diào)節(jié)中失調(diào)。

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)的分析，在這里選取羅克韋爾1769-L36ERM作為主控制器，它擁有高度集成的Ether Net/IP網(wǎng)絡(luò)通信接口，可擴(kuò)展插口槽方便擴(kuò)展，靈活性強(qiáng)，滿足自動(dòng)控制需求。下面分別對(duì)紙幅的張力、速度和糾偏控制進(jìn)行硬件的選型及設(shè)計(jì)，并對(duì)斷紙進(jìn)行介紹。

3.1 張力控制硬件設(shè)計(jì)

復(fù)卷機(jī)張力控制采取的是閉環(huán)控制回路，它由PLC控制器、磁粉制動(dòng)器和離合器、張力變送器和傳感器以及恒流源等構(gòu)成，其線路圖如圖5所示。

3.2 糾偏控制硬件設(shè)計(jì)

紙幅糾偏控制是由線性驅(qū)動(dòng)電路、PLC控制器、糾偏傳感器以及永磁同步低速電機(jī)等組成，其線路圖如圖6所示。

3.3 速度控制硬件設(shè)計(jì)

如果卷紙輥和退紙輥速度不一致，會(huì)對(duì)紙幅張力造成很大影響，因此保持紙幅的速度穩(wěn)定對(duì)維持紙幅張力穩(wěn)定很重要。通過(guò)PLC觸摸屏對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)設(shè)置，對(duì)參數(shù)進(jìn)行輸入，對(duì)卷紙輥和退紙輥的速度進(jìn)行采集處理，從而保證卷紙輥和退紙輥的線速度一定。速度控制接線圖見(jiàn)圖7。

圖2 基于電磁力矩的張力控制結(jié)構(gòu)圖

圖3 退紙輥和切紙輥速度控制結(jié)構(gòu)圖

圖4 退紙輥和卷紙輥糾偏示意圖

4 復(fù)卷機(jī)張力控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

復(fù)卷機(jī)的恒張力控制系統(tǒng)采用羅克韋爾1769-L36ERM控制器為核心的控制系統(tǒng)，利用伺服電機(jī)激勵(lì)電流對(duì)紙幅張力進(jìn)行調(diào)節(jié)。在復(fù)卷機(jī)的工作過(guò)程中，為使紙幅張力控制精確，還要對(duì)速度和糾偏控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4.1 復(fù)卷機(jī)控制軟件系統(tǒng)整體構(gòu)成

復(fù)卷機(jī)控制軟件系統(tǒng)包括：用戶登錄界面、參數(shù)設(shè)置、用戶管理和歷史數(shù)據(jù)等幾個(gè)模塊組成，它基于RSLinx運(yùn)行環(huán)境下建立OPC服務(wù)器，可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，如圖8所示。

4.2 各控制部分的程序流程圖設(shè)計(jì)

（1）速度控制流程圖

復(fù)卷機(jī)的速度控制包括電機(jī)參數(shù)的設(shè)置、卷紙輥和退紙輥卷徑的精準(zhǔn)計(jì)算以及旋轉(zhuǎn)角速度的精準(zhǔn)控制。圖9為復(fù)卷機(jī)的速度控制流程圖。

（2）張力控制流程圖

復(fù)卷機(jī)的紙幅張力控制是在磁粉制動(dòng)（離合）器數(shù)值量的設(shè)定、張力傳感器檢測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行程序編寫(xiě)，復(fù)卷機(jī)張力控制流程圖如圖10所示。

（3）糾偏控制流程圖

復(fù)卷機(jī)的糾偏控制是通過(guò)控制輸出穩(wěn)定的電壓，令糾偏機(jī)構(gòu)以恒定的速度運(yùn)行，光電糾偏傳感器通過(guò)檢測(cè)紙幅邊緣是否擋住光電眼來(lái)反饋給控制器一個(gè)數(shù)字量信號(hào)，控制器通過(guò)反饋的信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)卷紙的糾偏控制。糾偏控制的流程圖如圖11所示。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行分析

紙幅張力是通過(guò)對(duì)退紙輥的電磁力矩進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由1769-L36ERM控制器輸出電壓到恒流源，恒流源輸出恒定電流對(duì)磁粉制動(dòng)器電磁力矩進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)紙幅張力設(shè)定值增大時(shí)，為了使實(shí)際紙幅張力快速響應(yīng)，張力控制系統(tǒng)將輸入磁粉制動(dòng)器的激勵(lì)電流增大，從而使電磁力矩變大，增加紙幅的張力，當(dāng)紙幅張力增大到新設(shè)定值時(shí)，則激勵(lì)電流將會(huì)重新調(diào)整到穩(wěn)定狀態(tài)。在實(shí)際運(yùn)行中，紙幅的張力實(shí)際運(yùn)行狀況跟分析一致，圖12為紙幅張力設(shè)定值從20 N提高到36 N時(shí)紙幅張力變化趨勢(shì)圖，紙幅張力調(diào)整時(shí)間縮短到5 s之內(nèi)。

圖5 復(fù)卷機(jī)張力控制接線圖

圖6 糾偏控制接線圖

圖7 速度控制接線圖

圖8 復(fù)卷機(jī)控制軟件系統(tǒng)構(gòu)成

圖9 復(fù)卷機(jī)速度控制流程圖

5 結(jié)論

圖10 復(fù)卷機(jī)張力控制流程圖

圖11 復(fù)卷機(jī)糾偏控制程序流程圖

通過(guò)對(duì)復(fù)卷機(jī)工藝流程分析，設(shè)計(jì)了一種基于伺服系統(tǒng)的紙幅恒張力控制系統(tǒng)，對(duì)復(fù)卷機(jī)張力控制、速度控制和糾偏控制系統(tǒng)分別進(jìn)行了介紹，對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件和軟件的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)行，設(shè)計(jì)的復(fù)卷機(jī)張力控制系統(tǒng)張力波動(dòng)小，運(yùn)行穩(wěn)定，滿足控制要求。該控制系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中取得良好的控制效果，紙幅張力調(diào)整時(shí)間由之前的10 s縮短到5 s之內(nèi)，并且無(wú)超調(diào)量。

圖12 紙幅張力變化趨勢(shì)圖