全数字张力控制系统的研究•机械制造论文
全数字张力控制系统的研究
陈杰金S览宇
（湖南机电职业技术学院电气工程系,湖南长沙410151）
【摘要】本文研究了国内外张力控制系统的数字化发展趋势，并分析对比目前市面上各种张力控制系统的特点和不足,提出了基于通用PLC控制器和变频器为核匕、的全数字张力控制系统设计方案。
关键词数字化；张力控制系统；PLC ;变频器
※基金项目：湖南省2013年度教育厅科学研究项目（13C254 X
作者简介：陈杰金（1979.02—），女，吉林松原人,湖南机电职业技术学院电气系，讲师。
1问题的提出
很多行业涉及到张力的控制，张力控制系统是以卷材为材料的生产机械上最重要的控制系统，在冶金、纺织、造纸、印染等许多行业应用广泛,各种产品如钢板、铝箔、布料、塑料薄膜、纸张等卷材,这些材料在加工过程中需要卷曲或者开卷等工序，如铝箔张力控制系统，铝带经过粗轧、精轧等多个工序,变为铝箔之后卷曲成一卷成品。
这个过程中张力的控制非常重要,张力过大、过小都会造成卷材质量问题，导致成品率彳氐，比如在放卷、收卷以及过程中，都要保持一定的张力（或者称之为拉伸力）,过大的张力会导致材料变形、甚至断裂,而过小的张力又会松弛,导致褶皱,张力控制不稳也会造成不匀、切断长度不稳定等现象,所以必须对张力进行控制，保持张力恒定。
由于张力会随替卷径而变化,而张力的变化对卷取效果会有很大影响。
因此说恒张力控制是奇隋度卷取控制的关
键环节。
在某些某冶金企业中仍有为数不少的卷取张力控制设备，其张力控制系统仍采用传统的模拟电子插板式控制系统,以分立的电子器件控制,设备老化,故障频发，急需逬行控制系统的升级改造。
本文主要是针对这个问题,提出了基于PLC 和变频器为核心的恒张力的控制方案,以较低的成本和较好的控制效果,实现设备的价值再现。
2国内外研究现状综述
目前高精度的张力控制均能采取闭环控制，通常根据控制方式可分为直接张力控制、间接张力控制和复合张力控制三种方式。
直接张力控制,是构建张力闭环控制系统,利用张力检测元件的检测信号与给定张力值比较,通过张力调节器, 驱动执行机构，调节张力覘的位
移,逬而达到控制张力的目的；间接张力控制则是对卷取张力建模,通过对卷取机构的转矩方程逬行静态、动态分析，确定影响张力的相关因素（如电流、卷径等）,进而对这些因素进行反馈控制（如电流反馈、反电势反馈、卷径反馈控制等），从而达到恒张力控制的目的。
复合恒张力控制则是两者的结合。
在间接张力控制方式的基础上,增加一个张力闭环,形成三环控制系统。
近年来,国内外卷取张力控制现状主要有以下两个方面:
（1 ）利用制动器（磁粉离合器）的励磁电流与输出力矩的线性关系,通过控制和调节磁粉离合器的励磁电流进而控制输出力拒，实现张力控制。
这种方式主要应用在轻工
业如纺织、印刷行业等,代表产品有三菱张力控制器、华纳张力控制器等等，市场上产品丰富。
（2 ）通过标准工艺张力控制板及附带的控制软彳牛，通过交直流传动装置,完
成张力控制中的动态力拒补偿、卷径计算、恒张力控制等功能,进而实现恒张力
控制，这种方式主要应用于冶金行业。
代表产品有西门子T400张力控制工艺板。
目前张力控制设备的发展趋势是向功能多样化、产品系列化和微机化方向发展，集机、电、液一体。
随看智能控制理论的发展,新型张力控制系统也得到了应用,如模糊参数自整定PID张力控制，基于神经网络的张力控制系统,这也是张力控制设备发展的另一个方向。
3方案设计
本系统主要以以高性能PLC和变频器为控制核心,以组态软件为监控层,在原张力控制系统基础上进行全数字化改造，采用间接张力控制方案，优化张力控制算法,优化设计锥度、卷径和动静态张力补偿以及速度和转矩的计算方法,克服建张阶段和加减速过程中的张力振荡，满足性能要求。
本接张力控制系统的优势在于不需要额外的张力检测元件，
而是通过计算分析建立张力方程，确定张力与电枢电路、励磁、卷径直接的相互关系,提供一种经济实用的铝箔张力控制方氯本论文要解决的两个关键问题：一是,间接张力控制（主要是通过卷径的实时检测和计算）；二是”张力控制系统的PLC变频控制统的硬件设计。
本系统采用速度模式张力控制。
速度模式张力控制通过调节变频器频率给定，进而调节电机运行速度，从而实现张力恒定控制。
因此根据反馈信号计算张力同步匹配的频率反馈信号，与频率设定值构成PID闭环，从而调整变频器输出，达到恒张力控制。
张力匹配频率的可以通过F= （Vxpxi）/（TTxD）计算得到（F为张力同步匹配频率指令，V
为卷取线速度，P为电机极对数,i为机械传动比,D为收卷卷径）。
因此要获取张力配套频率反馈，必须要计算出线速度V和实时卷径D的大小。
通过图1,可以分析线速度和卷径的计算方法。
在单位时间内测量辗走过的铝箔长度与卷取机收卷的长度是相等的。
假设单位时间内牵引电机运行转速为nl, 测量辗的周长为C1,因此单位时间内,测量覘的走过的长度为nlCl;同样卷取机收卷的长度为ixn2C2 (i为减速箱的减速比X
由于nlCl=ixn2C2 ,即nliiDl二n2TTD2/i ; D2=nlxDlxi/n2 ;卷取电机的
转速可以通过编码器测量n2二P2/Pn2 ( P2为编码器产生的脉冲个数，Pn2为
编码器的线数1为方便计算,取nl=l,这样测量規转1圈,也就是PLC每收
到1个接近开关信号，此时根据：V=nDl; D2=DlxixP2/Pn2进行计算,间
接得到线速度和实时卷径。
本系统采用西门子S7-200PLC做控制单元,西门子MM440变频器为驱动单元，西门子TP177做操控单元。
PLC通过高速脉冲计算编码器反馈的数据,通过程序计算卷取线速度和实时卷径的大小，进而通过PID调节,输出频率指令, 并通过模拟量模块,送给两台变频器,从而实现转速的自动调节,维捋张力的恒定。
4动态补偿
卷取机构在收卷过程中会存在大卷、小卷、加速、减速、停车、启动等不同工
科,为保证张力的平稳性,需要逬行转矩的补偿。
卷取电机的转矩二静摩擦转矩（启动瞬间）+滑动摩擦转矩+负载转矩,本系统按照电机输出转矩的百分比,在启动瞬间进行静摩擦转矩的补偿；在速度变化时，根据加速度设置相应的补偿系数进行转矩补偿,稳定运行时根据不同速度,以收卷额定转矩为标准，在PLC 程序中进行分段补偿。
同时还要进行速度的限制。
如卷取机构在空芯卷径时的转速是最快的，可以根据空心转径DO、线速度的最大值、张力最大设定值和减速比,计算最高转速, 并进行限制,这样可以避免飞车事故；同样,对于交流异步电机,变频器频率给定很低的时候会出现爬行等不稳定
现象，当达到最大卷径时,电机转速最慢，因此要根据参数计算最iESt速,并进行限制。
5总结
本方案采用了速度模式张力控制，通过PID调节能够满足控制要求。
当然也可以采用转矩模式张力控制,目前市面上提供了很多高性能的矢量控制变频器, 通过测速电机或编码器，能对电机的转矩做精确反馈,这里不再累述。
进行了变频收卷的改造后,收卷都很稳定，张力始终恒定。
而且经过PLC的处理,在特定的动态过程,加入一些动态的调整措施,使得收卷的性能更好。
由于采用通用的控制系统和方案,改造简便而且造价低,周期小,能够满足企业的需求。
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［责任编腿：汤静］。