前言

在實(shí)際生產(chǎn)中如果以中心收卷方式來收卷的話，收卷軸的直徑是不斷變化的。不斷變化的收卷直徑引起角速度的變化，從而引起材料上張力也隨之出現(xiàn)的波動(dòng)：張力過小，材料收卷時(shí)會(huì)松弛起皺、橫向走偏;張力過大則導(dǎo)致材料拉伸過度，在縱向上會(huì)出觀張力紋，甚至出現(xiàn)縱向隆起。

在收卷的過程中為保證生產(chǎn)效率和收卷的質(zhì)量，張力控制系統(tǒng)就顯得尤為關(guān)鍵。張力控制模式一般有開環(huán)、閉環(huán)控制兩種模式，其中開環(huán)控制模式?jīng)]有張力檢測和反饋環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)上相對簡單但控制精度和穩(wěn)定性較差。閉環(huán)控制模式一般有卷徑檢測裝置和張力反饋環(huán)節(jié)，控制的隨機(jī)性很強(qiáng)，具有較高的控制精度和響應(yīng)速度，但系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)比較復(fù)雜而且元器件較多，在小型設(shè)備上的應(yīng)用受到一定的限制。

張力控制是生產(chǎn)過程中極其重要的一環(huán)，良好的張力控制能夠確保產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。本文主要介紹了張力控制變頻收卷的控制原理。此技術(shù)能夠保證收卷的整個(gè)過程很穩(wěn)定,避免小卷時(shí)張力過大；大卷啟動(dòng)時(shí)張力過小的現(xiàn)象。收卷中張力的控制就現(xiàn)在來說還是個(gè)難題，文章中基于建立的數(shù)學(xué)模型，介紹了變頻收卷的原理,按照一定的控制策略進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)調(diào)整控制信號。通過PLC進(jìn)行卷徑的計(jì)算，改變變頻器的輸出頻率，對電機(jī)進(jìn)行控制。對收卷而言，隨著卷徑的逐漸增大，轉(zhuǎn)矩的值也隨之增大，變頻器輸出的速度將隨之減少，符合收卷的基本原理，同時(shí)張力也在控制之中。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了收卷張力的工藝定量化，完成了轉(zhuǎn)矩和速度的自動(dòng)跟蹤轉(zhuǎn)變。

1控制系統(tǒng)工作原理及組成

本文采用基于伺服系統(tǒng)及plc系統(tǒng)的開環(huán)張力控制系統(tǒng)，應(yīng)用在0.1mm級材料的收卷上，而且收卷質(zhì)量等同于閉環(huán)控制的質(zhì)量。本設(shè)計(jì)選用伺服控制系統(tǒng)是基于它的轉(zhuǎn)矩控制模式在收卷方面具有控制簡單、精度高的特點(diǎn)。在轉(zhuǎn)矩模式下，不需要對收卷的速度進(jìn)行控制，只需給出一個(gè)速度限制值即可使收卷軸的角速度根據(jù)轉(zhuǎn)矩的大小而自動(dòng)浮動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)恒線速度收卷。同時(shí)伺服控制器的內(nèi)部轉(zhuǎn)矩檢測功能可以精確的檢測輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的高精度控制。系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩、速度指令及收卷的半徑等參數(shù)通過plc系統(tǒng)內(nèi)部計(jì)算得出，使系統(tǒng)得到進(jìn)一步的簡化。

該系統(tǒng)以PLC作為控制器，它主要包括：主機(jī)、開關(guān)量輸入/輸出模塊，模擬量輸入/輸出模塊，步進(jìn)/伺服電機(jī)控制模塊和LCD彩色液晶觸摸顯示屏等部件，如圖1所示為控制系統(tǒng)的硬件組成圖。

圖1控制系統(tǒng)的硬件組成圖

開關(guān)量（包括高速計(jì)數(shù)）輸入/輸出模塊：主要實(shí)現(xiàn)操作按鈕的輸入，收縮桿的零位檢測，光電編碼器的計(jì)數(shù)及開關(guān)量的控制和狀態(tài)指示等功能。

模擬量輸入模塊：用于張力的檢測，收卷過程中，由傳感器將張力的壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柦?jīng)張力變送器送入PLC模擬量輸入模塊，用于張力的控制和顯示。

模擬量輸出模塊：通過張力的檢測和給定張力經(jīng)過PLC的PID運(yùn)算產(chǎn)生當(dāng)前控制量，經(jīng)模擬量輸出模塊實(shí)現(xiàn)對磁粉制動(dòng)器的勵(lì)磁電流控制，保證張力的恒定；對變頻器的調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)收卷過程的轉(zhuǎn)速控制，自動(dòng)降速及定位等控制功能。

步進(jìn)電機(jī)控制模塊：用于對步進(jìn)電機(jī)的控制。根據(jù)設(shè)置的收卷直徑通過步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)桿的位置。根據(jù)卷材厚度給定由步進(jìn)電機(jī)控制收卷過程中每次收卷直徑的微調(diào)量。

液晶觸摸顯示屏：作為人機(jī)操作界面，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制參數(shù)輸入，系統(tǒng)工作過程，工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)視，控制參量的顯示及系統(tǒng)的操作功能。

2伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

三菱mr-j2s伺服系統(tǒng)有位置控制模式、速度控制模式、轉(zhuǎn)矩控制模式三種控制方式，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)矩控制模式。

其中速度、轉(zhuǎn)矩指令在觸摸屏上設(shè)定，然后傳送到plc中，經(jīng)過plc的計(jì)算后通過a1s68dav形成0～10v的模擬信號，傳送給伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接受信號后再經(jīng)過內(nèi)部單元轉(zhuǎn)換成電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩控制信號，從而控制電機(jī)精確運(yùn)轉(zhuǎn)。在伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程，伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器(pg)將瞬時(shí)轉(zhuǎn)速經(jīng)a1s64ad模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入plc中，然后計(jì)算出瞬時(shí)卷徑，再根據(jù)計(jì)算卷徑的大小變化輸出轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)張力穩(wěn)定有規(guī)律的控制。±8v對應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩，±8v輸入時(shí)所對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩可用在伺服系統(tǒng)no.26#參數(shù)改變，例如：no.26=50%,表示當(dāng)輸入電壓為±8v時(shí)，對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩=最大轉(zhuǎn)矩×50%。

由于受系統(tǒng)精度限制，在輸入電壓低于0.05v時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)無法準(zhǔn)確地設(shè)定輸出轉(zhuǎn)矩。在使用時(shí)，可以通過設(shè)定輸出電壓的極性來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

伺服轉(zhuǎn)矩模式下，伺服控制器只控制輸出轉(zhuǎn)矩，張力屬于間接張力控制。一般張力曲線模型有遞減、遞增、恒定等三種，但實(shí)際上無論那一種模型，要完全符合是很困難的，因此根據(jù)不同材料、不同厚度等情況選取不同的收卷曲線，這就要求張力曲線是可調(diào)的。

由于本系統(tǒng)中張力是由轉(zhuǎn)矩間接控制的，因此實(shí)際控制對象就變?yōu)榭刂妻D(zhuǎn)矩了。一般認(rèn)為收卷電機(jī)輸出實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩由下公式表示：

m=mo+mj+mz

式中：m—實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩;mo為空載時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩mj為系統(tǒng)阻尼轉(zhuǎn)矩;mz為增加的負(fù)載慣量轉(zhuǎn)矩。

一般mj，mo均為常數(shù)，因此實(shí)際上變化的是收卷過程中逐漸增加的負(fù)載慣量轉(zhuǎn)矩。因此在轉(zhuǎn)矩算法中必須要使收卷輸出轉(zhuǎn)矩隨著卷徑的增加而自動(dòng)變化。

(1)卷徑的自動(dòng)計(jì)算

設(shè)v為線速度(米/分鐘)，d為收卷軸直徑(mm)，n為收卷軸轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分鐘)，nd為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分鐘)，i為傳動(dòng)比，有

v=π×d×n=π×d×nd×i

d=v/(π×nd×i)=kv/nd=k×(∫vdt/∫nddt)=k×(線速度/角速度)

由于線速度是恒定的，因此只需求出收卷軸的角速度，就可計(jì)算出收卷軸的實(shí)時(shí)卷徑。

(2)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

根據(jù)m=(mo+mj)+mz=mo+mj，需要補(bǔ)償?shù)氖莔z值，因此設(shè)定一個(gè)遞增(遞減)系數(shù)k，選擇設(shè)定的曲線函數(shù)使m能夠隨半徑的變化而變化。

3張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)加工對象為布匹，在卷繞過程中必須保證卷繞的松緊程度及材料的拉伸情況。因此我們需要對收卷過程中張力的大小進(jìn)行控制。張力測量原理如圖2所示。

圖2張力測量原理

把布匹穿過如圖所示的三個(gè)平行滾軸，在卷繞時(shí)，滾軸受到重力、布匹拉力的作用，其承受的布匹拉力大小為2倍的張力的大小，方向豎直向上，在滾軸的一側(cè)裝上角度傳感器，就可以把布匹的張力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?/p>

所得電信號再經(jīng)過張力變送器作用，把這一信號規(guī)一化，最終送入模擬量輸入模塊，由模擬量輸入模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字濾波等處理后就可送PLC運(yùn)算處理了。

模擬量輸入單元操作過程框圖如圖3所示：

圖3模擬量輸入單元操作過程框圖

由于需要進(jìn)行數(shù)字濾波等處理，故每次程序運(yùn)行中要進(jìn)行多次數(shù)據(jù)采集，以便進(jìn)行處理。

張力信號經(jīng)前述的一系列整理后，成為二進(jìn)制形式的數(shù)字量送達(dá)PLC的PID運(yùn)算后，得到控制輸出值，以模擬量輸出模塊實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，所得模擬電信號用于驅(qū)動(dòng)磁粉制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)張力控制了。

磁粉制動(dòng)器裝于放卷機(jī)軸上，它在放卷機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上產(chǎn)生的阻力矩大小，取決于加于其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的制動(dòng)電流的大小，制動(dòng)電流越大，其產(chǎn)生的阻力矩就越大，放卷機(jī)就越不易轉(zhuǎn)動(dòng)，相應(yīng)布匹上的張力也就增大了，反之亦然。這樣，實(shí)現(xiàn)了放卷機(jī)放卷過程的張力自動(dòng)控制。

4收卷直徑控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

收卷過程中，由于收卷材料有一定的厚度，故隨著收卷圈數(shù)的增加，實(shí)際收卷長度會(huì)越來越大，致使外圈布匹周長大于內(nèi)圈布匹，剪切鋪平時(shí)就出現(xiàn)了明顯的浪費(fèi)，因此，為了避免這一現(xiàn)象，在收卷過程中，每收卷一定的圈數(shù)N（其大小隨收卷材料的厚度而定）以后，要對收卷直徑進(jìn)行微調(diào)。

本控制系統(tǒng)中卷材厚度由LCD觸摸屏輸入，由公式：

[卷繞微調(diào)增量]=卷材厚度*微調(diào)頻率*10

計(jì)算出微調(diào)增量，進(jìn)而根據(jù)計(jì)算結(jié)果每隔一定的時(shí)間間隔進(jìn)行一次微調(diào)。

本系統(tǒng)中收卷筒由二十四根平行的圓筒構(gòu)成，其間由收縮桿控制圓筒的間距，進(jìn)而控制了收卷時(shí)布匹的周長，收縮桿的角度不同，圓筒間距就不同，使用伺服電機(jī)控制收縮桿的角度，就可以實(shí)現(xiàn)對收卷周長的控制了。

步進(jìn)電機(jī)的功用是將輸入的電脈沖信號變換為階躍性的角位移，亦即給一個(gè)脈沖信號，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比。

本系統(tǒng)中，PLC根據(jù)LCD觸摸屏的輸入的卷材厚度計(jì)算出微調(diào)頻度，同時(shí)也計(jì)算出微調(diào)量，由PLC的伺服電機(jī)控制模塊驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，帶動(dòng)伺服電機(jī)按照預(yù)定的頻度和大小運(yùn)動(dòng)，這樣就可以精確地實(shí)現(xiàn)收卷過程中對收卷直徑的微調(diào)。

5結(jié)論

在實(shí)際應(yīng)用生產(chǎn)過程中，基于伺服及plc的開環(huán)控制系統(tǒng)由于在應(yīng)用上不需要很準(zhǔn)確的精度數(shù)學(xué)模型，只需按負(fù)荷分配、按實(shí)際效果設(shè)定遞增系統(tǒng)的特性，能夠應(yīng)用在多種不同厚度、不同品種的材料收卷上，而且效果很好。觸摸屏可通過菜單系統(tǒng)來控制與監(jiān)控過程，這樣，便能通過值的輸入或通過觸摸已組態(tài)的按扭來輸入給定值或控制定位元素，能在畫面上顯示過程、設(shè)備及系統(tǒng)。觸摸屏除了能將過程變量（例如輸出域、棒圖、趨勢或狀態(tài)）顯示外，還可使事件信息與報(bào)警信息可視化。方便操作和提高了界面質(zhì)量。