1650mm铝箔分卷机卷取机张力控制系统

王睿龙

（厦门厦顺铝箔有限公司，福建 厦门 361027）

1 引言

铝箔分卷机，是用于将铝箔轧机轧制后的双合铝箔卷料按用户要求进行分卷，并剪切成不同宽度规格铝箔成品的专用设备。铝箔分卷机卷取张力环不稳定或者张力梯度不稳定，就会使剪切产品出现“错层”、“松卷”和端面出现“燕窝”等现象，从而造成大量废品。铝箔分卷机的卷取机张力控制系统对铝箔的质量和成品率有重要的影响，本文从理论上针对分卷机的卷取间接张力控制系统和惯性力矩补偿的计算方法进行推导，并对影响铝箔分卷机卷取张力的因素进行了详细分析。就提高铝箔卷取机张力控制精度，提出了一些解决方案。

2 铝箔分卷机设备主要工艺技术参数

高速铝箔分卷机的主要技术参数以及设备主要性能指标如下。

（1）来料规格：1×××、3×××、5×××、8×××系列铝及铝合金；

（2）厚度：单张 0.04～0.05mm，双张 2×（0.006～0.03）mm；

（3）宽度：800～1550mm；

（4）开卷钢套筒尺寸：φ485／φ555×1850mm；

（5）开卷机最大卷材外径：1900mm；

（6）成品厚度：单张 0.04～0.05mm，双张 0.006～0.03mm；

（7）分切的最大宽度：1530mm，最小宽度：200mm；

（8）分切条数：最多6条；

（9）使用φ75mm卷取套筒时，成品卷直径最大为φ700mm，机列最大工作速度为800m／min，使用φ150mm卷取套筒时，成品卷直径最大为φ800mm，机列最大工作速度为1200m／min；

（10）张力控制精度：稳速时±2%，加减速时±5%。

3 机组设备组成

如图1所示为铝箔分卷机的设备结构示意简图，这台高速铝箔分卷机主要由上料系统、主体分切系统、卸料系统、拔轴系统、气液系统和电控系统组成。上料系统由上料小车、轨道、检测开关组成，上料小车行走由交流变频电机驱动；主体分切系统主要由开卷机、刀轴导辊群、上下卷取机构组成。开卷机在机列中完成带材的开卷和对中，由一台直流电机驱动。刀轴导辊群由9根导辊组成，由一台直流电机通过齿形皮带同步驱动，完成铝箔导向，分卷和剪切。卷取机分上卷取机和下卷取机，分别完成双合铝箔的收卷，各由一台直流电机驱动。

图1 铝箔分卷机的设备结构示意简图

分卷机液压、气动系统由一套气动阀站和液压阀站组成，该系统的主要作用是控制卷取机压平辊和支承辊的打开、压靠和运行。压平辊和支承辊的控制对带材的卷取非常重要，带材卷取时，压平辊和支承辊工作在运行状态，并通过调整压平辊油缸的有杆腔和无杆腔的压力均衡，以调整压平辊作用到卷取机卷材上的压力，保证卷材质量。

4 基础自动化选型与配置

生产人员利用上料系统按照手动方式将铝箔轧机轧制后的双合铝箔料卷送到分卷机的开卷机上，用其双锥头夹紧来料的套筒，然后根据工艺卡片的技术要求设定剪切宽度，经过分卷系统的刀盘剪切成不同宽度的成品箔，分别由上下卷取机卷取成卷，再由主体分切系统中的上下卸料臂将卷取机上的成品箔卷送出分卷系统，此后利用卸料系统按照自动方式将成品箔卷从分卷系统中的卸料臂上取走，再将空卷轴分卷系统的卷取机上，并将成品箔卷送到储料台，最后通过气动拔轴系统将卷轴从成品铝箔卷中拔出，从而完成全部操作。

5 机列电气控制系统

机列的控制系统主要由辅助操作控制系统和6RA70直流传动装置组成，它们通过PROFIBUS DP总线电缆和CBP总线适配器模块相连组成PROFIBUS－DP网络，完成PLC和传动装置间控制数据和状态数据的相互传递。

由于1650mm分卷机控制点较为分散，需要传递的数据比较多，因而有必要采用现场总线。本系统采用 S7－400 PLC系列产品，CPU为带有PROFIBUS－DP接口的CPU414－2DP，它提供现场总线PROFIBUS－DP将采集到的各个子站IM153的现场信号、交直流传动装置的控制和状态信号直接传送到CPU，减少了现场连线以及干扰源，从而降低了工作成本和调试、维护的工作量，增强了系统的可靠性。PROFIBUS总线以其国际化开放方式不依赖设备生产商的现场总线标准，广泛应用于制造业自动化、流程工业自动化以及其他自动化领域，目前占据整个工业现场网络市场份额的30%以上。该总线由 PROFIBUS－DP、PROFIBUSPA及PROFIBUS－FMS三种兼容方式组成。其中，PROFIBUS－DP是一种高速低成本总线标准（最高传输速率12M）。

6 卷取张力控制系统分析

6.1 概述

由于分卷机剪切的材料极薄，而且剪切速度非常高，因此对速度和张力控制精度提出了很高的要求，恒速度控制精度为0.5%，恒张力控制精度为2%，并可根据卷取卷径的变化进行梯度张力控制。机列速度由开卷机控制，张力在开卷机和卷取机之间形成。机列速度信号由操作台上触摸屏设定，开卷机初始卷径由超声波传感器测量，卷取机卷径经过PLC计算得出。位于开卷机和卷取机之间的刀轴辊采用具有空载电流限幅的速度控制，以减小导辊对铝箔速度和张力的影响。

6.2 卷取机间接张力控制原理

本系统中卷取机电机采用间接控制张力的方法，所谓间接张力控制，就是只给张力设定值，不用检测器采集张力的实际值，对张力不形成闭环控制，而是通过对电动机电枢电流的控制来间接对张力进行控制。当系统产生扰动时，如摩擦、速度动态变化等因素对张力波动的消除，靠系统内部设置的各类补偿环节来微调张力电流给定值。间接张力控制系统框图如图2所示。

图2 卷取机间接张力控制系统框图

6.3 间接张力控制方案

分卷机稳定运行时，电动机的电磁转矩与负载转矩相同，于是有：

式中：CM为电动机的结构常数；Φ为电动机的磁通，Wb；Ia为电动机的电枢电流，A；T为张力，N；i为机械减速比；η为机械效率；D为卷材卷径，m；MD为电机输出扭矩，N·m；Mo为空载摩擦转矩，N·m；Md为加减速时所需的惯性转矩，N·m。

当系统稳定运行时，Md＝0，考虑摩擦空载转矩较小，可以忽略不计，通过公式（1）计算出卷取张力为：

式中：Km＝2CMηi，为一常数。

从式（2）可知，间接张力控制主要有以下两种方法。

（1）复合张力调节法：通过调节电枢电压保持电枢电流Ia不变，随着箔卷卷径变化调节电机的磁通Φ，使Φ／D不变，保持张力恒定。

（2）最大力矩法：保持Ia正比于D／Φ，即无论箔卷卷径的大小，当电机的转速低于额定转速时，保持电机磁通Φ为额定值不变，电机电枢电流Ia随箔卷卷径变化而变化，保持Ia／D不变；当电机的转速高于额定转速时，保持Ia不变，Φ随箔卷卷径的变化而变化，保持Φ／D不变。这样张力保持恒定。

第一种间接控制张力的优点是：随着箔卷卷径变化调节电机的磁通Φ，控制起来比较直观。而它的缺点是：只要不在最大卷径情况下，不论是高速还是低速，电动机都处在弱磁工作状态，所以电动机转矩得不到充分利用；由于Φ∝D，所以电动机的弱磁倍数也就等于卷径变化的倍数，当卷径倍数大时，要求电动机弱磁倍数也要大，于是使得电动机体积增大。这种控制方法要求按最高工作速度Vmax和最大张力Tmax的乘积来选择电动机的功率，即 Pm＝ Vmax＊Tmax，但是实际上此两者并不是同时出现，而一般高速时，箔材薄，要求张力小，因此电动机的功率也不能得到充分利用。为了合理使用电动机的功率，可按最大力矩原则进行张力恒定的控制。

由于铝箔分卷机箔卷卷径变化范围很大，卷取机卷径变化范围较大，多在7.5－10倍，而直流电机的调磁调速范围一般都小于3倍，即使特殊订货，也不会超过5倍，因此复合张力控制法满足不了要求，只能使用最大力矩法。

第二种间接控制张力的优点是：最大力矩法对电动机的弱磁倍数没有严格要求，电动机的调磁范围不决定于卷材卷径的变化范围，设计时容易选择电动机。电动机在基速以下进行卷取时电机处于满磁状态，电磁转矩大，动态电流小，可以合理利用电动机的功率。电动机在基速以上高速卷取时，可以充分利用电动机的调磁范围。

6.4 梯度张力控制

由上述分析可知，为了保证系统的平稳，防止产品断带，端面错层等，要求设备恒张力卷取。但在实际生产中发现，采用恒张力卷取，随着卷取卷材直径的增大，会出现外紧内松现象，造成勒卷划伤以及卷材端面出现“燕窝”等缺陷，因此在系统中设置梯度张力控制，即随着卷取机卷材直径的增大，使卷取张力呈线性下降。如图3所示为卷取梯度张力示意图。

图3 卷取梯度张力示意图

其控制模型如下：

式中：T 为梯度张力，N；Ts为恒张力基准，N；A为梯度比率 0－50%，无量纲数；D1，D2为卷取（1）、卷取（2）卷材直径，m；Dmax为卷取卷材最大直径，m；D0为卷取空套筒初始直径，m。

6.5 卷取机的卷径计算

铝箔分卷机的线速度V是卷取机卷取过程中的一个重要变量，通常是读取下卷取机卷轴的接触面压辊上脉冲编码器输出脉冲数并通过计算而获得的。实际线速度测量精度与脉冲编码器每转输出的脉冲数及采样时间有关，在转速恒定的条件下，脉冲编码器每转输出的脉冲数越多、采样时间越长，则线速度V的测量精度越高。卷取机的速度给定，张力电流的计算，分卷机升降速时的惯性力矩动态补偿都和卷径有着直接的关系，因此铝箔分卷机卷取卷径信号的准确与否将直接影响张力控制的稳定性和精确度。卷径计算在整个卷取过程中是一个积分运算的过程。因此，在PLC程序中需要确定卷筒转一圈的运算周期、卷径变化率和卷取时间。在实际调试和运行中，如果卷取机卷轴的接触面压辊上脉冲编码器信号波动较大，或在信号传输过程中有较强的干扰信号，会对卷径的计算产生很大的影响，其结果是无法准确计算卷取卷径，导致张力不稳定，出现卷取机松卷或断带现象，因此对于线路的设计和电缆的敷设要有一定的要求。

6.6 卷取机动态惯性力矩补偿和空载摩擦力矩补偿的数学模型

张力控制的稳定性和精度对于卷材质量影响很大。其卷取张力设定值取决于上位机给定的单位卷取张力、带材宽度与厚度。在铝箔线速度恒定条件下，随着卷径的变化使卷取机卷筒转速随卷径变化，为了保证恒定的张力或梯度张力，必须根据卷筒连同带材自身卷动惯量进行动态惯性力矩补偿。

由于卷取机、电机和带材均有运动惯性，电机加减速时将要消耗动态力矩，如不加以补偿将使带材张力发生波动，必须对电枢电流进行动态补偿才可以克服加减速对带材张力的影响。

对于卷取机而言，需要的动态或惯性补偿力矩为：

而带材线速度与卷取机电机转速的关系为：

通过公式（4）、（5）得到卷取机动态或惯性补偿力矩为：

式中：V为实际线速度，m／min。

该公式就是间接张力控制时的惯性力矩补偿数学模型。间接张力控制的卷取机力矩计算原理框图如图4所示。

图4 卷取机力矩计算原理框图

摩擦力矩补偿主要用于修正驱动电动机到套筒之间的机械损耗，摩擦力矩补偿量与电机转速有关。摩擦力矩补偿值太高，将会造成“松卷”现象，一般补偿量为电动机额定转矩的2%以下。摩擦力矩补偿一般通过实验的方法得到。摩擦转矩补偿大都作用于电流调节器，它是在电流给定基础上附加一个空载电流分量来实现的。但实际的空载电流是随电动机转速n的变化而变化的，需要实际测量。一般情况下空载摩擦转矩M0＝f（n）是一条二次曲线，调试时常用函数发生器来模拟，以三段或四段折线近似代替M0＝f（n）曲线。

7 软硬件实施条件

本项目系统采用PLC作为基础控制硬件，控制系统软件特点是：在控制系统程序的编制中，根据各种任务特点合理划分CPU资源。把张力控制、速度控制等对时间有苛刻要求的任务放在PLC里100ms中断实现。将卷径计算等变化较慢的任务安排在500ms里来实现。将一些逻辑连锁控制开关量放在中断级别最低的任务中实现。

8 结论

铝箔分卷机卷取机的张力控制具有一定的代表性，其优劣直接影响产品质量。铝箔分卷机的惯性力矩补偿的精确性除了要求加速度的给定精度、卷径计算精度等因素外，将主要取决于机械设备转动惯量的精确性。所以，为保证张力控制精度，在现场调试时需要对机械设备转动惯量和卷材转动惯量进行实际精确测量。另外，铝箔分卷机在更换压平辊或支撑辊，更换中轴辊系轴承，上下卷取张力不同步，设备停机时间过长，必须定期做空载摩擦转矩补偿，从而保证卷取机的张力控制精度。

［1］1650mm铝箔分卷机技术规格书.

［2］天津电气传动研究所.电气传动自动化技术手册（第2版）［M］.北京：机械工业出版社，2005.