全數(shù)字張力控制系統(tǒng)的研究

陳杰金　霍覽宇

【摘 要】本文研究了國內(nèi)外張力控制系統(tǒng)的數(shù)字化發(fā)展趨勢，并分析對比目前市面上各種張力控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和不足，提出了基于通用PLC控制器和變頻器為核心的全數(shù)字張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化；張力控制系統(tǒng)；PLC；變頻器

1 問題的提出

很多行業(yè)涉及到張力的控制，張力控制系統(tǒng)是以卷材為材料的生產(chǎn)機(jī)械上最重要的控制系統(tǒng)，在冶金、紡織、造紙、印染等許多行業(yè)應(yīng)用廣泛，各種產(chǎn)品如鋼板、鋁箔、布料、塑料薄膜、紙張等卷材，這些材料在加工過程中需要卷曲或者開卷等工序，如鋁箔張力控制系統(tǒng)，鋁帶經(jīng)過粗軋、精軋等多個(gè)工序，變?yōu)殇X箔之后卷曲成一卷成品。這個(gè)過程中張力的控制非常重要，張力過大、過小都會(huì)造成卷材質(zhì)量問題，導(dǎo)致成品率低，比如在放卷、收卷以及過程中，都要保持一定的張力（或者稱之為拉伸力），過大的張力會(huì)導(dǎo)致材料變形、甚至斷裂，而過小的張力又會(huì)松弛，導(dǎo)致褶皺，張力控制不穩(wěn)也會(huì)造成不勻、切斷長度不穩(wěn)定等現(xiàn)象，所以必須對張力進(jìn)行控制，保持張力恒定。由于張力會(huì)隨著卷徑而變化，而張力的變化對卷取效果會(huì)有很大影響。因此說恒張力控制是高精度卷取控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在某些某冶金企業(yè)中仍有為數(shù)不少的卷取張力控制設(shè)備，其張力控制系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)的模擬電子插板式控制系統(tǒng)，以分立的電子器件控制，設(shè)備老化，故障頻發(fā)，急需進(jìn)行控制系統(tǒng)的升級改造。本文主要是針對這個(gè)問題，提出了基于PLC和變頻器為核心的恒張力的控制方案，以較低的成本和較好的控制效果，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的價(jià)值再現(xiàn)。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述

目前高精度的張力控制均能采取閉環(huán)控制，通常根據(jù)控制方式可分為直接張力控制、間接張力控制和復(fù)合張力控制三種方式。直接張力控制，是構(gòu)建張力閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用張力檢測元件的檢測信號與給定張力值比較，通過張力調(diào)節(jié)器，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)張力輥的位移，進(jìn)而達(dá)到控制張力的目的；間接張力控制則是對卷取張力建模，通過對卷取機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩方程進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)分析，確定影響張力的相關(guān)因素（如電流、卷徑等），進(jìn)而對這些因素進(jìn)行反饋控制（如電流反饋、反電勢反饋、卷徑反饋控制等），從而達(dá)到恒張力控制的目的。復(fù)合恒張力控制則是兩者的結(jié)合。在間接張力控制方式的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)張力閉環(huán)，形成三環(huán)控制系統(tǒng)。近年來，國內(nèi)外卷取張力控制現(xiàn)狀主要有以下兩個(gè)方面：

（1）利用制動(dòng)器（磁粉離合器）的勵(lì)磁電流與輸出力矩的線性關(guān)系，通過控制和調(diào)節(jié)磁粉離合器的勵(lì)磁電流進(jìn)而控制輸出力矩，實(shí)現(xiàn)張力控制。這種方式主要應(yīng)用在輕工業(yè)如紡織、印刷行業(yè)等，代表產(chǎn)品有三菱張力控制器、華納張力控制器等等，市場上產(chǎn)品豐富。

（2）通過標(biāo)準(zhǔn)工藝張力控制板及附帶的控制軟件，通過交直流傳動(dòng)裝置，完成張力控制中的動(dòng)態(tài)力矩補(bǔ)償、卷徑計(jì)算、恒張力控制等功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)恒張力控制，這種方式主要應(yīng)用于冶金行業(yè)。代表產(chǎn)品有西門子T400張力控制工藝板。

目前張力控制設(shè)備的發(fā)展趨勢是向功能多樣化、產(chǎn)品系列化和微機(jī)化方向發(fā)展，集機(jī)、電、液一體。隨著智能控制理論的發(fā)展，新型張力控制系統(tǒng)也得到了應(yīng)用，如模糊參數(shù)自整定PID張力控制，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的張力控制系統(tǒng)，這也是張力控制設(shè)備發(fā)展的另一個(gè)方向。

3 方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要以以高性能PLC和變頻器為控制核心，以組態(tài)軟件為監(jiān)控層，在原張力控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行全數(shù)字化改造，采用間接張力控制方案，優(yōu)化張力控制算法，優(yōu)化設(shè)計(jì)錐度、卷徑和動(dòng)靜態(tài)張力補(bǔ)償以及速度和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法，克服建張階段和加減速過程中的張力振蕩，滿足性能要求。本接張力控制系統(tǒng)的優(yōu)勢在于不需要額外的張力檢測元件，而是通過計(jì)算分析建立張力方程，確定張力與電樞電路、勵(lì)磁、卷徑直接的相互關(guān)系，提供一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的鋁箔張力控制方案。本論文要解決的兩個(gè)關(guān)鍵問題：一是，間接張力控制（主要是通過卷徑的實(shí)時(shí)檢測和計(jì)算）；二是，張力控制系統(tǒng)的PLC變頻控制統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用速度模式張力控制。

速度模式張力控制通過調(diào)節(jié)變頻器頻率給定，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行速度，從而實(shí)現(xiàn)張力恒定控制。因此根據(jù)反饋信號計(jì)算張力同步匹配的頻率反饋信號，與頻率設(shè)定值構(gòu)成PID閉環(huán)，從而調(diào)整變頻器輸出，達(dá)到恒張力控制。張力匹配頻率的可以通過F=（V×p×i）/（π×D）計(jì)算得到（F為張力同步匹配頻率指令，V為卷取線速度，p為電機(jī)極對數(shù)，i為機(jī)械傳動(dòng)比，D為收卷卷徑）。因此要獲取張力配套頻率反饋，必須要計(jì)算出線速度V和實(shí)時(shí)卷徑D的大小。

通過圖1，可以分析線速度和卷徑的計(jì)算方法。在單位時(shí)間內(nèi)測量輥?zhàn)哌^的鋁箔長度與卷取機(jī)收卷的長度是相等的。假設(shè)單位時(shí)間內(nèi)牽引電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為n1，測量輥的周長為C1，因此單位時(shí)間內(nèi)，測量輥的走過的長度為n1C1；同樣卷取機(jī)收卷的長度為i×n2C2（i為減速箱的減速比）。

由于n1C1=i×n2C2，即n1πD1=n2πD2/i；D2=n1×D1×i/n2；卷取電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過編碼器測量n2=P2/Pn2（P2為編碼器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，Pn2為編碼器的線數(shù)）。為方便計(jì)算，取n1=1，這樣測量輥轉(zhuǎn)1圈，也就是PLC每收到1個(gè)接近開關(guān)信號，此時(shí)根據(jù)：V=πD1；D2=D1×i×P2/Pn2進(jìn)行計(jì)算，間接得到線速度和實(shí)時(shí)卷徑。

本系統(tǒng)采用西門子S7-200PLC做控制單元，西門子MM440變頻器為驅(qū)動(dòng)單元，西門子TP177做操控單元。PLC通過高速脈沖計(jì)算編碼器反饋的數(shù)據(jù)，通過程序計(jì)算卷取線速度和實(shí)時(shí)卷徑的大小，進(jìn)而通過PID調(diào)節(jié)，輸出頻率指令，并通過模擬量模塊，送給兩臺(tái)變頻器，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)，維持張力的恒定。

4 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

卷取機(jī)構(gòu)在收卷過程中會(huì)存在大卷、小卷、加速、減速、停車、啟動(dòng)等不同工科，為保證張力的平穩(wěn)性，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償。卷取電機(jī)的轉(zhuǎn)矩=靜摩擦轉(zhuǎn)矩（啟動(dòng)瞬間）+滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)矩+負(fù)載轉(zhuǎn)矩，本系統(tǒng)按照電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的百分比，在啟動(dòng)瞬間進(jìn)行靜摩擦轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償；在速度變化時(shí)，根據(jù)加速度設(shè)置相應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)根據(jù)不同速度，以收卷額定轉(zhuǎn)矩為標(biāo)準(zhǔn)，在PLC程序中進(jìn)行分段補(bǔ)償。

同時(shí)還要進(jìn)行速度的限制。如卷取機(jī)構(gòu)在空芯卷徑時(shí)的轉(zhuǎn)速是最快的，可以根據(jù)空心轉(zhuǎn)徑D0、線速度的最大值、張力最大設(shè)定值和減速比，計(jì)算最高轉(zhuǎn)速，并進(jìn)行限制，這樣可以避免飛車事故；同樣，對于交流異步電機(jī)，變頻器頻率給定很低的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)爬行等不穩(wěn)定現(xiàn)象，當(dāng)達(dá)到最大卷徑時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最慢，因此要根據(jù)參數(shù)計(jì)算最低轉(zhuǎn)速，并進(jìn)行限制。

5 總結(jié)

本方案采用了速度模式張力控制，通過PID調(diào)節(jié)能夠滿足控制要求。當(dāng)然也可以采用轉(zhuǎn)矩模式張力控制，目前市面上提供了很多高性能的矢量控制變頻器，通過測速電機(jī)或編碼器，能對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩做精確反饋，這里不再累述。進(jìn)行了變頻收卷的改造后，收卷都很穩(wěn)定，張力始終恒定。而且經(jīng)過PLC的處理，在特定的動(dòng)態(tài)過程，加入一些動(dòng)態(tài)的調(diào)整措施，使得收卷的性能更好。由于采用通用的控制系統(tǒng)和方案，改造簡便而且造價(jià)低，周期小，能夠滿足企業(yè)的需求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]董建芝，孫彬，董躍敏.熱連軋卷取機(jī)智能張力控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2011.

[2]張曉武，崔桂梅，劉丕亮.冷軋帶鋼卷取張力控制系統(tǒng)的研究[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2011.

[3]許紅兵，彭輝.剪切線張力控制系統(tǒng)及應(yīng)用[J].冶金自動(dòng)化，2010.

[4]應(yīng)騰云，張森林.基于模糊-PI并聯(lián)控制的經(jīng)紗張力控制系統(tǒng)[J].紡織學(xué)報(bào)，2010.

[5]蘇全在.冷連軋卷取張力控制系統(tǒng)研究[D].東北大學(xué)，2010.

[6]景征.冷連軋板帶張力控制系統(tǒng)的研究[D].河北工業(yè)大學(xué)，2011.

[7]李冬.退火生產(chǎn)線張力控制系統(tǒng)的研究[D].河北工業(yè)大學(xué)，2011.

[8]馮傳兵.安鋼爐卷軋機(jī)卷軋張力控制[J].電氣傳動(dòng)，2011.

[責(zé)任編輯：湯靜]