卷绕系统中收放卷张力控制方法研究①

叶继英，沈晓群，姚齐国，熊 雕

(浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山316022)

0 引 言

在造纸、印刷、绷带、拉丝、轧钢等很多场合，为了提高产品的质量，要求保持材料张力的恒定，以纸卷为例，需要保持纸的张力恒定，也就是要保持纸的拉力恒定［1］.早期卷绕系统中的收放卷生产系统存在一些缺点，比如机械结构复杂、控制精度不高等，直接影响到工厂生产的正常效率和产品质量.必须对卷绕系统的电气控制部分进行改造，使之具有先进可靠的控制和监测功能，以适应高效率安全生产的要求.

1 收放卷张力控制原理

张力是指物体受到拉力作用时，内部任一截面两侧存在的相互牵引力.如图1 所示，这是一个简化的收放卷张力控制系统，放卷和收卷各有一个电机，中间有牵引辊.

图1 收放卷的张力控制系统

在张力控制系统中，纸料带线速度的变化、卷径的变化、机械结构转动惯量的变化以及机械损耗等都可引起张力扰动，其中卷径的变化是引起张力变化的主要原因［2］.纸卷在小卷时，卷轴的转速要快些，这样才能保持纸料带的线速度不变，此时的电机转速稍快，力矩稍小;当纸卷慢慢变大后，卷轴的转速要逐渐变慢，此时电机的转速需变慢，力矩变大.整个系统不能因张力过大造成纸张过紧甚至拉断，也不能因张力不足而造成纸张松弛，需保持张力恒定.以下就张力控制方法展开分析研究.

2 张力控制的方法

2.1 张力传感器检测张力

在简单的卷绕控制系统中，假设使用的执行结构是磁粉制动器(放卷侧)和磁粉离合器(收卷侧)，只需手动改变接在线圈两端的电压，磁粉磁化程度发生变化，固定部件与运动部件之间的摩擦力发生变化，引起了运动部件的运动阻力变化，同时卷绕系统的材料张力就得到改变［3］.

当张力的精度要求高时，可通过张力传感器、PID 控制器、磁粉制动器(或磁粉离合器)等组成闭环控制系统，或者是张力传感器、PID 控制器以及变频器、电动机组成闭环控制系统，另外还可在卷绕系统中加入触摸屏用于全线生产速度和全部工艺参数的设定.PID 控制器可由PLC 的内部模块或者PID 指令设定.变频器(Variable－frequency Drive，VFD)是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备.变频调速电气传动调速范围大，静态稳定性好，运行效率高，是一种理想的调速系统［4］.下面就以使用变频器为例予以说明，如图2所示:

图2 应用传感器张力控制系统框图

张力传感器把检测到的张力转换为标准信号PV(0 ～5V)送入PLC，PLC(三菱的FX 系列为例)的PID 控制指令如图3 所示.

图3 PID 指令应用

设定值SV 存放在D0，当前值PV 存放在D1，比较后得到误差信号e =SV－PV.数据位D100 ～D124 定义参数，包括采样周期、比例增益KP、积分时间TI、微分增益KD等.当e ＞0 时，PV 偏小(张力偏小)，PID 输出u 增大，变频器变频后的U，V，W三端输出到电机，促使电机的转速升高;当e ＜0时，PV 偏大(张力偏大)，PID 输出u 减小，变频器变频后输出到电机，促使电机的转速降低，整个调节过程一直持续到PV =SV.

2.2 超声波测距张力控制系统

在卷绕系统中，物料的卷径一直在变化，如果电机采用恒速旋转，势必会引起料带的放松或拉紧，也就是张力失去了平衡.因此，可以采用超声波测距的方法检测卷径D，再根据料带线速度V 与电机转速n 的关系得到转速n 并可求出频率f，最终信号送入放卷驱动或收卷驱动电路.

超声波测距原理是指超声波在测距之前，发射器先向某个方向发射出一串具有一定频率的检测信号，一般是8 个周期为10us 的方波，当检测信号在前方碰到障碍物就返回到超声波传感器，此时判断前方有物体，超声波再发出一个高电平，一直持续到信号返回并跳变为低电平.因此，超声波是从信号向外发射的同时开始计时，直到超声波接收器接收到返回信号时停止计时，所测到的时间以高电平的形式发送给控制器［5～6］.超声波的速度不是恒定不变的，它随着温度的升高而升高，常温下超声波的速度为334 米/秒.精度要求高的系统需要采用温度补偿单元，温度传感器可以参考选用LM35，其摄氏温度和输出电压成线性关系.假设超声波从信号发射到接收的时间差为△t，发射点距离障碍物的距离定为S1，则

超声波发射点到卷径中心的距离为S，S 恒定不变，则料卷的卷轴直径D:

超声波测距示意图如图4 所示:

图4 超声波测距示意图

选择HC－SR04 超声波测距模块，具有2 ～400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达到3mm，模块包括超声波发射器、接收器和控制电路，测试距离=(高电平时间*声速)/2.超声波测距模块如图5 所示:

图5 HS－SR04 超声波测距模块

单片机或者PLC 根据接收到的回响信号，提取出高电平时间△t，计算出测试距离S1并得到卷轴直径D.卷绕系统中料带测得的线速度为V，根据V=πDn/60 公式计算出电机所需的转速n.由此可知，保持放卷速度与收卷速度一致，只需把电机转速n 转化为频率f，并把此信号传送给放卷驱动和收卷驱动单元.

当然，超声波测距的性能与被测物体的表面材料相关，假设在布料的卷放系统中使用，因布料对超声波的反射率非常小，会严重影响测量结果，致使张力无法保持平衡.

2.3 两个伺服电动机控制张力系统

采用两个伺服电动机分别控制放卷和收卷.伺服电机也叫执行电动机，控制机械器件运转，在自动控制系统中用作执行机构，可以控制转速，它把接收到的标准电压信号转换为电机轴上的角速度或角位移输出以驱动控制对象.伺服电机的主要特点是转速随着转矩的增加而匀速下降，信号电压为零时无自转现象出现.伺服电动机进行张力控制时，可以不使用张力传感器，只需获取电动机的转速n.假设在电动机和负载辊之间连接一个减速比为m 的减速电机，料带的线速度V，伺服电动机转速为n，料卷的直径设为D，则可得出如下关系式:

调整关系式可得:

根据张力F 与转矩T 的关系可得:

在恒张力控制中，也就是F 保持不变，料带的线速度V 给定，测出转速n 后就可推算出力矩T.当伺服电机接收1 个脉冲，就会旋转1 个脉冲对应的角度(步角距)，因此控制输入脉冲的频率就可改变伺服电动机的转速n，当纸卷的直径发生变化可保持张力F 恒定.

3 结 论

三种方法各有优缺点.张力传感器的优点是线性好、响应快以及检测范围宽，但是不能吸收张力峰值，当系统受到较强干扰时反应滞后，料带上的张力幅值波动增大，延缓系统重新进入平衡.伺服电机根据脉冲频率变化产生相应的动作变化，其响应特性和抗过载能力高于变频器驱动的交流电机，精度相对要高.变频控制的精度虽然低些，但从成本考虑适用于大功率控制系统.

［1］ 喻宏斌.纸厂收卷放卷张力的控制［J］.自动化仪表，1998，19(4):17－20.

［2］ 徐立萍，王娣.卷绕系统中收放卷的张力控制方法［J］.设备电器，2011，21(1):45－48.

［3］ 姚福来，孙鹤旭，杨鹏.变频器、PLC 及组态软件实用技术速成教程［M］.北京:机械工业出版社，2010:1－55.

［4］ 李强.张力控制变频收卷的控制原理及在纺织行业的应用［J］.变频技术应用，2007，19(4):106－109.

［5］ 孙绿洲，刘兴苗.超声波测距传感器在收放卷机构中的应用［J］.纺织机械，2010，27(3):41－42.

［6］ 罗索枫.智能教学机器人避障系统的研究［J］.科学咨询，2012，13(19):71－72.