摘要：本文介紹表面卷繞和中心卷繞的結(jié)構(gòu)特點和控制原理，對中心卷繞中的恒張力控制和錐度張力控制的實現(xiàn)策略進行了詳盡分析。
1  引言
      卷繞是造紙、紡織、印染等行業(yè)生產(chǎn)中把半制品和成品按一定規(guī)律繞成各種卷裝的工藝過程。卷繞的目的是便于制品的存儲、運輸和喂給下道工序加工。有時為了改變卷裝容量、去除疵點和提高質(zhì)量，還要進行再卷繞或復(fù)繞。為了獲得卷材邊緣平齊、卷筒密實的最佳卷繞效果，必須結(jié)合生產(chǎn)工藝和材料對張力控制的要求，選擇合理經(jīng)濟、適合產(chǎn)品的卷繞驅(qū)動控制方式，保證卷繞過程張力穩(wěn)定可控。
2  卷繞驅(qū)動控制系統(tǒng)組成
      卷繞驅(qū)動方式有兩種：即中心驅(qū)動卷繞和表面驅(qū)動卷繞。不管那種驅(qū)動方式其控制系統(tǒng)一般均由牽引輥傳動控制系統(tǒng)；卷繞張力控制系統(tǒng)以及PLC、操作臺等部分組成。其中牽引輥傳動控制系統(tǒng)由一對覆橡膠的軋輥、變頻器和變頻電機等組成，牽引輥的線速度即為車速，通過操作員面板設(shè)定后保持不變。卷繞張力控制系統(tǒng)由卷繞軸、變頻器、變頻電機、減速機等組成。對于表面驅(qū)動卷繞裝置而言卷繞張力控制較為簡單，對于中心驅(qū)動卷繞裝置其卷繞張力控制相對要復(fù)雜一些。
3  表面卷繞張力控制系統(tǒng)
      表面卷繞是通過驅(qū)動輥的摩擦力驅(qū)動待卷材料表面進行的收卷，是一種被動卷繞。卷繞控制原理如圖1所示，它使用兩根直徑相同的卷繞輥驅(qū)動被卷材料，驅(qū)動輥分別采用變頻器U2、U3控制變頻電機和減速機，通過調(diào)節(jié)密度電位器R2，使兩驅(qū)動輥表面產(chǎn)生速差，從而建立表面卷繞的基本張力控制模式，滿足卷繞產(chǎn)品密實度，表面卷繞裝置只能提供準恒定張力控制。

      表面卷繞中卷筒與兩驅(qū)動輥間的摩擦力大小與卷筒的質(zhì)量有關(guān)，并非常量；而摩擦力的大小影響卷筒打滑的程度，所以，當電動機轉(zhuǎn)速恒定時，卷筒線速度也不可能完全不變，特別是在驅(qū)動輥表面磨光后或者在卷繞起始部分，由于卷筒與驅(qū)動輥間的摩擦力相對較小會出現(xiàn)打滑，其張力不易控制，這樣會出現(xiàn)卷筒軸芯卷材不密實，而隨著卷筒直徑增大，卷筒垂直向上移動，卷筒重量也在不斷增加，卷筒與驅(qū)動輥間獲得較大的摩擦力，卷繞張力增大，如果速差調(diào)整不合適，就會將卷筒芯部卷材擠出，造成卷材端面不齊。為了得到均勻的卷繞張力，卷繞裝置上常加有配重輥，該輥緊貼在卷筒軸頂部，采用氣動或液壓方式給卷筒軸施加垂直向下作用力，通過對配重輥壓力大小自動調(diào)節(jié)，獲得卷筒與兩驅(qū)動輥表面理想的摩擦力，保證卷繞過程張力穩(wěn)定，滿足卷材密度和硬度要求，達到良好的卷繞效果。
      由于表面卷繞靠的是表面摩擦接觸作用卷繞卷材，卷筒與驅(qū)動輥間必須具有足夠的摩擦力，所以驅(qū)動輥需定期更換所覆橡膠或草皮，表面不能太光滑。而對于某些織物表面卷繞的摩擦會損傷織物或產(chǎn)生靜電，因此必須選用中心驅(qū)動卷繞方式。
4 中心卷繞張力控制系統(tǒng)
      中心驅(qū)動卷繞由變頻器控制電動機傳動卷繞軸，通過加在卷繞軸上的旋轉(zhuǎn)力完成卷繞過程。其控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

      圖2中牽引輥驅(qū)動機構(gòu)采用速度閉環(huán)控制卷繞過程的線速度，卷繞軸采用張力閉環(huán)控制驅(qū)動卷繞機構(gòu)按預(yù)設(shè)張力曲線工作，保證卷繞過程張力控制達到最佳效果。速度閉環(huán)中浮動輥位置檢測采用非接觸式可變電阻，信號檢測準確可靠，該信號作為速度附加信號與主給定速度疊加后送入牽引輥變頻器1的AIN端，對牽引輥速度進行調(diào)節(jié)控制。張力傳感器把檢測到卷材的張力反饋到PLC的模擬量輸入端，同時張力檢測信號與變頻器1的速度輸出信號AOUT疊加后送入變頻器2中進行PID調(diào)節(jié)，實現(xiàn)卷繞張力閉環(huán)控制。
      中心卷繞張力控制方式有兩種，即恒張力控制和錐度張力控制。從某種意義上講恒張力控制是錐度張力控制的一種特殊情況。圖3為錐度張力控制曲線，從中可以看出：張力設(shè)定 = 80%時，當錐度系數(shù)HW=100%，卷繞張力曲線為A，卷繞過程中張力大小始終不變，即為恒張力控制；若錐度系數(shù)HW=50%，則卷繞到最大直徑時，張力下降50%，理想卷繞曲線為B'，實際卷繞曲線接近B；若錐度系數(shù)HW=0%，則卷筒到最大直徑時張力將降到0（見曲線C和C'）。

      恒張力卷繞當卷筒直徑變化時，必須保證轉(zhuǎn)速n與卷徑D成反比，且電機轉(zhuǎn)矩M變化與卷材卷徑D成正比，這樣才能達到卷材里外緊度均勻。使用這種方式時，應(yīng)注意卷繞結(jié)束時的轉(zhuǎn)矩最大，要根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩和減速機的減速比來選擇電動機的額定轉(zhuǎn)矩。由于卷繞過程中，卷筒的直徑在不斷的變化，同時電動機傳動機構(gòu)及卷筒支承軸上的摩擦力矩Mm，卷繞機構(gòu)在加、減速過渡過程所需的動態(tài)力矩Md及線速度 v也在變化，這些變化都會引起張力波動，為了獲得織物恒定的表面張力，電動機輸出電磁轉(zhuǎn)矩M_D除了保證卷繞力矩M_f=F·R（t）外，還需克服摩擦力矩M_m、機械慣量等變化，也就是說在卷繞過程中需進行相應(yīng)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩補償、靜態(tài)補償及加速補償?shù)龋员ＷC變頻器2控制電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩能自動適應(yīng)跟隨變化。
      錐度張力控制在卷繞過程中轉(zhuǎn)矩M保持不變，隨著卷徑d的逐漸增大，卷繞角速度ω相應(yīng)降低，卷材張力F相應(yīng)減小，達到內(nèi)緊外松的卷繞效果，這就是錐度張力控制原理。錐度張力控制方式實質(zhì)上就是變頻器的轉(zhuǎn)矩控制模式，在卷繞驅(qū)動中，給定張力F_set，線速度恒定V_line= constant，卷繞軸轉(zhuǎn)速n隨著卷筒直徑D的增大而降低，卷材張力相應(yīng)地減小，轉(zhuǎn)矩模式正好滿足這個要求。在轉(zhuǎn)矩控制模式中，給定的是轉(zhuǎn)矩，根據(jù)設(shè)定張力F_set和卷材直徑可以計算出變頻器的轉(zhuǎn)矩給定值
M = F_set×D_min /2i
其中：M    變頻器轉(zhuǎn)矩給定值（NM）
F_set   張力設(shè)定值(N)
D_min   最小卷徑
i    機械傳動比
      如果實際轉(zhuǎn)矩低于給定轉(zhuǎn)矩，則轉(zhuǎn)速升高，否則，轉(zhuǎn)速降低，整個卷繞過程速度在給定轉(zhuǎn)矩對應(yīng)速度的上下浮動。
      由于錐度張力控制的是電機轉(zhuǎn)矩，而在卷繞爬行階段（卷材穿引過程及卷繞起始階段）材料是松弛的，卷軸上卷材張力很小，卷繞電機阻轉(zhuǎn)矩幾乎為零，如果電機仍處于轉(zhuǎn)矩控制模式下，此時就要瞬間加速到最高轉(zhuǎn)速，直到卷材繃緊，這時電機轉(zhuǎn)速遠遠高于按當前線速度和卷徑折算出來的理想速度，在繃緊瞬間必然對材料造成沖擊，致使材料繃斷。所以爬行階段必須采用速度控制，也就是在卷取電機理想轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)上疊加一個較小的附加給定，同時對電機的輸出轉(zhuǎn)矩限幅。當材料松弛時，電機處于速度控制模式，運行速度比理想速度略高一點，材料被逐漸繃緊不會產(chǎn)生瞬間沖擊。待材料繃緊后，由于轉(zhuǎn)矩限幅作用卷繞電機將無法達到給定速度，速度控制飽和退出，此時控制轉(zhuǎn)矩限幅相當于電機的實際轉(zhuǎn)矩。錐度張力卷繞控制中轉(zhuǎn)矩基本恒定，所以不會損傷卷軸。

      圖4為中心卷繞張力控制系統(tǒng)框圖，為了實現(xiàn)卷繞張力平穩(wěn)控制，提高張力閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，控制系統(tǒng)中PLC、變頻器等必須具備當前卷徑計算功能；動靜態(tài)摩擦補償和慣量補償功能及參數(shù)信號自適應(yīng)能力等；能夠根據(jù)當前卷徑和線速度計算計算出卷繞變頻器的設(shè)定值，以控制卷繞電機達到理想轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)漸減張力控制或基本恒張力控制。
5、結(jié)束語
      無論表面卷繞還是中心卷繞，其卷繞張力控制是產(chǎn)品成卷的關(guān)鍵。卷繞張力過大會造成織物拉伸變形甚至斷裂；張力過小會出現(xiàn)卷筒松弛不密實；張力大小不穩(wěn)定會造成卷筒松緊不一、端面不齊、出現(xiàn)分層等。因此，要獲得好成卷質(zhì)量，必須完善卷繞張力控制系統(tǒng)，實現(xiàn)張力控制的穩(wěn)定性。

參考文獻
楊公源  《常用變頻器應(yīng)用實例》  電子工業(yè)出版社 2006年10月

      作者簡介  馮建修（1963-）高級工程師   從事自動控制系統(tǒng)的研究和實際應(yīng)用工作。
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《控制與傳動》
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