帶材收放卷張力控制系統(tǒng)研究

陳保勝，舒 航

(杭州電子科技大學(xué)信息工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310000)

0 引言

帶材收放卷機(jī)構(gòu)在紡織工業(yè)、印刷工業(yè)中起到越來(lái)越重要的作用。保證帶材收放卷機(jī)構(gòu)質(zhì)量的關(guān)鍵是帶材收放卷機(jī)構(gòu)的張力控制。張力控制在我國(guó)很多行業(yè)(紡織行業(yè)、印刷行業(yè)、軋鋼行業(yè))中都起到很重要的作用[1]。但是帶材收放卷在運(yùn)行過(guò)程中隨收放卷半徑的變化，帶材張力會(huì)變化，如果張力控制不好的話，就會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成影響[2-5]。目前，我們國(guó)家的張力控制設(shè)備主要通過(guò)從國(guó)外進(jìn)口，不僅價(jià)格非常高，而且尖端技術(shù)被國(guó)外市場(chǎng)所壟斷。因此我國(guó)自主研發(fā)收放卷設(shè)備顯得尤為重要[3]。

因此，為了提高帶材產(chǎn)品的質(zhì)量，本設(shè)計(jì)使用PID控制算法，設(shè)計(jì)了帶材收放卷張力控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效地改善帶材收放卷的動(dòng)靜態(tài)，只要設(shè)定了正確的參數(shù)，科學(xué)的操作技術(shù)，就可以控制恒張力。

1 張力控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 張力控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

帶材收放卷在運(yùn)行過(guò)程中隨收放卷半徑的變化，帶材張力會(huì)變化，要正常運(yùn)行，帶材張力需要在一個(gè)穩(wěn)定值。帶材收放卷張力控制系統(tǒng)是基于區(qū)分材料的材質(zhì)而設(shè)計(jì)的，以可編程邏輯控制器為中央處理器，主要實(shí)現(xiàn)張力的恒定控制。向PLC發(fā)送預(yù)設(shè)張力信號(hào)，PLC將張力傳感器實(shí)時(shí)反饋的實(shí)際張力值與預(yù)設(shè)的張力值進(jìn)行對(duì)比[4]，然后運(yùn)用PID控制算法，再次輸出控制直流電機(jī)，以此組成閉環(huán)回路，得到實(shí)際的張力值與預(yù)設(shè)張力值基本相等。

整個(gè)系統(tǒng)由控制器、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流電機(jī)、觸摸屏和檢測(cè)模塊組成的閉環(huán)電路組成，如圖1所示。首先，控制器根據(jù)觸摸屏的預(yù)設(shè)張力信號(hào)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其次，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將控制電流傳遞到直流電機(jī)，直流電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使帶材收放卷機(jī)構(gòu)卷軸旋轉(zhuǎn)，因此，隨著時(shí)間的推移，帶材收放卷半徑逐漸增大，張力也跟著變化；最后，通過(guò)張力傳感器的張力測(cè)試，將張力信號(hào)通過(guò)壓力變送器送回控制器。整個(gè)系統(tǒng)中，觸摸屏可設(shè)定帶材收放卷機(jī)構(gòu)的預(yù)設(shè)張力，以及呈現(xiàn)帶材收放卷機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖

1.2 張力控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

帶材張力T的表達(dá)式為[5]：

(1)

式中，S為帶材橫截面的面積，E為彈性模量，V1、V2分別是帶材放卷和收卷的線速度。

通過(guò)對(duì)帶材張力的分析可知，要想控制帶材張力，必須控制帶材收放卷張力控制系統(tǒng)放卷和收卷的線速度。當(dāng)放卷和收卷兩端差值達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，放卷和收卷兩端線速度差保持不變，即帶材張力不變[6]。

圖2 放卷張力分析圖

本設(shè)計(jì)選擇放卷軸附近的點(diǎn)，根據(jù)放卷軸動(dòng)態(tài)力矩的平衡關(guān)系，來(lái)分析整個(gè)張力恒定控制過(guò)程中帶材張力的變化。如圖2所示。

建立放卷過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型[6，9-11]：

(2)

式中，T為帶材所受張力，R為帶材卷半徑，R0為帶材卷軸半徑，b為帶材卷的寬度，ω為帶材角速度，Bf為阻尼系數(shù)，V1為線速度，h為帶材厚度。J為帶材卷及帶材卷軸總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J0為帶材輥的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，TR為帶材中張力形成的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，M1為帶材卷軸形成的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，J1為帶材卷的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2 張力控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)是帶材收放卷機(jī)構(gòu)可以準(zhǔn)確運(yùn)行的基礎(chǔ)。硬件設(shè)計(jì)包括器件選型和電氣原理圖的繪制。

檢測(cè)部件：1)張力傳感器，其作用是將帶材的壓力信號(hào)(非電量)轉(zhuǎn)換成電壓或者電流信號(hào)(電量)。2)張力變送器，其作用：就是將張力傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行輸出[6]。

驅(qū)動(dòng)部件：1)直流無(wú)刷電機(jī)，作用是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行構(gòu)件完成帶材收放卷張力控制系統(tǒng)的要求。2)直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，作用是驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電機(jī)，并實(shí)現(xiàn)其變速功能。

控制部件：控制部件作為帶材收放卷張力控制系統(tǒng)，其性能和控制精度影響系統(tǒng)的特性，為此應(yīng)選擇相應(yīng)速度快、反應(yīng)靈敏的控制部件。

上位機(jī)：上位機(jī)是直接向控制器發(fā)送指令的設(shè)備，本設(shè)計(jì)采用觸摸屏作為帶材收放卷張力控制系統(tǒng)的上位機(jī)。

電氣原理圖：電氣原理圖是電氣控制線路的表示方法之一，為了研究和分析帶材收放卷張力控制系統(tǒng)電路的工作原理，現(xiàn)設(shè)計(jì)電氣原理圖，如圖3所示。

張力傳感器分布于收放卷的兩側(cè)，壓力變送器將兩側(cè)張力傳感器的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，轉(zhuǎn)換成0～10 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。變送器向PLC中輸入標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)[4]。直流無(wú)刷電機(jī)控制器接收PLC輸出的0～10 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，然后將次信號(hào)進(jìn)行放大輸出控制直流無(wú)刷電機(jī)。PLC接收變送器的0～10 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，然后向直流無(wú)刷電機(jī)控制器發(fā)送0～10 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，這樣構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)回路。運(yùn)用PID的控制算法，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)收放卷的轉(zhuǎn)速使帶材張力到目標(biāo)值[5]。

圖3 電氣原理圖

3 張力控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及仿真

3.1 程序設(shè)計(jì)流程

為保證帶材收放卷張力控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，現(xiàn)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的軟件部分。

由于采用順序功能圖法對(duì)帶材收放卷張力控制系統(tǒng)進(jìn)行編程，所以編程前首先確認(rèn)流程。根據(jù)工藝流程圖，如圖4所示，開機(jī)后控制器首先進(jìn)行自診斷，如果出現(xiàn)故障，控制器立即停止并報(bào)警。程序開始后，檢查外部設(shè)備是否有故障，若有故障立即停止并報(bào)警。沒(méi)有故障時(shí)，判斷是自動(dòng)運(yùn)行還是手動(dòng)調(diào)試。若是手動(dòng)調(diào)試，則進(jìn)入手動(dòng)調(diào)試模式；若是自動(dòng)運(yùn)行模式，則進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行子程序(圖5)。最后判斷系統(tǒng)是否結(jié)束。

圖4 主程序流程圖 圖5 自動(dòng)運(yùn)行子程序流程圖

本設(shè)計(jì)通過(guò)PID算法控制輸出量，首先輸入張力給定初值，張力給定初值與張力傳感器實(shí)時(shí)反饋的張力實(shí)際值作對(duì)比，得到偏值；根據(jù)偏值，運(yùn)用PID算法得到控制量，然后驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，最后得到理想的壓力值。調(diào)節(jié)過(guò)程如圖6所示。

圖6 PID調(diào)節(jié)過(guò)程

3.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

圖7 人機(jī)界面圖

本控制系統(tǒng)使用WINCC Flexible作為組態(tài)軟件，進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計(jì)[6-7]。用戶不僅可以隨時(shí)監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)，還可以修改運(yùn)行參數(shù)。人機(jī)界面的操作菜單如圖 7 所示。

3.3 I/O地址分配

控制器選擇的是型號(hào)為CPU 314C-2 DP的西門子S7-300的PLC，因此編程軟件使用step 7 V5.5。由帶材收放卷張力控制系統(tǒng)分析可知，系統(tǒng)需要對(duì)張力傳感器的壓力信號(hào)進(jìn)行采集，同時(shí)向直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)。I/O地址分配如表1所示。

表1 I/O分配表

3.4 系統(tǒng)模擬仿真

本模擬使用的仿真軟件為Matlab R2013b。本設(shè)計(jì)的張力控制系統(tǒng)仿真由：等效制動(dòng)器模型、張力控制仿真模型、PID控制模型等三部分組成[8-9]。圖8為帶材張力控制系統(tǒng)仿真模型[6]。圖9為帶材張力控制系統(tǒng)PID控制模塊圖。圖10為帶材張力控制系統(tǒng)等效制動(dòng)器模型。

圖8 帶材張力控制系統(tǒng)仿真模型圖

圖9 帶材張力控制系統(tǒng)PID控制模塊圖

圖10 帶等效制動(dòng)器模型圖

在式(2)中，帶材卷軸半徑(R0)、帶材卷的寬度(b)、阻尼系數(shù)(Bf)、線速度(V1)、帶材厚度(h)、帶材卷軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(J0)、等參數(shù)都是常量，具體數(shù)值如表2所示。

表2 參數(shù)表

設(shè)線速度為10 m/min，即紙卷半徑為0.25 m，張力設(shè)定值為80 N。經(jīng)初步估算得知，當(dāng)Kp=0.4，Ki=0.3，Kd=0.005，張力曲線相對(duì)穩(wěn)定[6]。

張力模擬曲線，如圖11所示。

圖11 張力模擬曲線圖

4 結(jié)論

本研究在分析帶材收放卷保持張力方法的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種基于PLC的帶材收放卷張力控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)帶材收放卷方便準(zhǔn)確的恒張力控制。

以PLC為控制核心，采用WINCC Flexible作為組態(tài)軟件，操作方便快捷。使用PID控制算法，適應(yīng)性好，可使帶材收放卷張力控制系統(tǒng)更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速。對(duì)張力控制系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模并對(duì)其進(jìn)行了仿真，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件和軟件，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和可靠性。