复卷机张力控制系统的设计及应用

霍蛟飞 马文明 陈鑫

摘要：针对复卷机退纸辊退卷张力控制系统中存在多扰动与非线性的问题，以退纸辊退卷张力为研究对象，提出一套完整的控制方案，在张力控制中引入了模糊PID算法，并加以应用。为解决交流传动下系统产生的回馈能量处理问题，对系统主电路硬件结构进行了公共直流母线设计，该设计已应用于浙江金华某纸厂复卷机项目的退纸辊退卷张力控制系统，取得了良好的控制效果。

关键词：复卷机；模糊PID；退卷张力

中图分类号：TS736

文献标识码：A

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2018.05.009

Abstract：To solve the problem of multi-disturbance and non-linearity in unwinding tension control system of rewinder， the paper put forward a integrated control scheme， and the fuzzy PID algorithm was introduced in tension control system. In addition， to solve the problem of feedback energy generated by the AC drive system， the common DC bus of the main circuit of the system was designed. Finally， the design of unwinding tension control system of the unwinding roll was completed based on the successful application in jin-hua， zhejiang province.

Key words：rewinder； fuzzy PID； unwinding tension

纸幅复卷过程中需要经过引纸、加减速等不同的阶段，每个阶段对退纸辊的要求不同，根据工艺要求退纸辊需要在正向电动、反向电动和制动回馈状态下工作。对纸幅退卷过程中所受张力进行控制的核心是对退纸辊转矩的控制，同时需要满足调速的要求。在恒张力控制系统中，常用的方法为直接张力控制与间接张力控制[1]，使用直接张力控制时采用传统PID即可获得不错的控制效果。但在实际的恒张力控制系统中，因输入给定值和过程值的变化，以及现场的振动、噪声干扰和设备在工艺流程中出现不可预测的问题，对传统PID控制产生很多不利影响，使其不能满足张力控制的要求。笔者通过总结前人对退卷张力控制的思路和方法，提出一种基于模糊PID控制算法的控制系统，对纸幅退卷过程中张力进行控制，改善系统稳定性、超调量及响应速度。

正常复卷过程中退纸辊电机工作处于制动发电状态，在复卷机降速或需要急停过程中，前后底辊和退纸辊工作均处于发电制动状态。针对系统产生的回馈能量处理问题，在对系统能量进行分析的基础上，对控制系统主电路硬件结构进行设计，构建了公共直流母线的供电方式，使能量能够反馈回电网[2]。在硬件上，本课题以浙江金华某造纸厂复卷机项目为依托，对退纸辊退卷张力控制系统进行了硬件设计，选择西门子6SE70逆变器作为退纸辊电机的驱动单元，采用PROFIBUS-DP总线作为通信方式，可编程逻辑控制器PLC作为硬件核心，采用触摸屏进行参数设置及过程值显示实现人机交换。在软件上，本课题总结PLC应完成的编程控制任务，得到张力控制的主要流程，采用STEP7完成退卷张力控制程序，使用WinCC flexible完成对触摸屏监控画面的设计和组态。

1复卷机张力的产生及控制

1.1复卷机张力产生及特点

纸幅的张力来自于纸幅的形变，在复卷过程中，因后底辊与退纸辊之间存在一个速度差使两者之间的纸幅产生形变进而产生张力，该张力即为退卷张力。根据纸幅在复卷过程中的运行特点，对某一特定品种的纸幅，由胡克定律可得纸幅退卷张力，其计算见公式（1）。

式中，T为纸幅退卷张力，N/m；E为纸幅弹性模量；S为纸幅横截面积，m2；L为退纸辊到后底辊间纸幅长度，m；v2为后底辊速度，m/min；v1为退纸辊速度，m/min。

由公式（1）可知，若要张力不变，即保持退卷辊和前后底辊部分之间纸幅线速之差的累积值一致，张力恒定时，退纸辊速度跟随退纸卷，后底辊速度v2作为纸幅基准速度基本保持不变，则退纸辊线速度必须恒定。在对退纸辊退卷张力进行控制时，通常将对张力的控制转化为对退纸辊制动转矩的控制[3]。总的来说，对退卷张力的控制要求可概括为以下几点：

（1）设置引纸张力

在准备阶段时，退纸辊需向后运行来拉直纸幅以建立起初步的张力，复卷机引纸时速度要保持很低，一般为15～100 m/min。

（2）正常运行时的张力变化曲线

为了使成品纸卷具有内紧外松的品质，复卷机正常运行时张力伴随着原纸卷直径的变化应逐渐减小。

（3）张力阶跃给定后的S形曲线环节

为防止張力的阶跃性上升给纸幅带来不利影响，必须设定S形曲线环节，使运行的张力建立平滑。

（4）加速和减速运行时的动态补偿

当运行过程中需要进行加速或减速时，稳态下的转矩不能满足运行过程的需要，此时需要对转矩进行动态补偿。

复卷机工作过程中，前后底辊带着纸幅向前卷入成品纸卷，退纸辊带着原纸卷跟随前后底辊。张力控制系统的输出量来控制退纸辊的制动转矩，制动转矩作用在退卷纸幅上形成退卷张力。退纸辊所带原纸卷的卷径在正常运行过程中一直在减小，对退卷张力是一个大扰动，因此需采用间接张力控制与直接张力控制相结合的复合张力控制方案，其控制结构图如图1所示。这种方式可有效综合二者的优点，不仅跟随性好，且精度相对较高。间接张力控制只是一种对张力的扰动补偿控制，如用交流变频传动来进行精确的扰动补偿控制，考虑的因素过多，会使控制系统过于复杂。由文献[4]可知，对动态转矩起主要影响的变量分别为退纸辊上纸幅卷径D以及退纸辊上纸幅的线速度变化速率dv/dt，二者均可通过检测装置得到，则可以计算出动态转矩值的大小。复卷机加速和减速时，分别对退纸辊电机附加一个负的动态转矩和正的动态转矩，以补偿电机的转动惯量，保持退卷张力恒定。直接张力控制系统选用PLC对采样过来的数据进行存储并和实际值做偏差运算，这意味着张力传感器采用的物理量经过变换后存储在PLC中，并且可以在PLC中写入张力控制算法，PLC快速的计算能力及强大的通信功能是直接张力控制系统的保证。

1.2张力控制器设计

对于张力控制系统，多采用常规PID控制算法来完成张力的直接控制，其首要任务即对PID控制器的参数进行整定，参数整定完毕后系统运行过程中便不可更改PID控制器的参数。对于退卷张力控制系统，退纸卷的卷径不断变化，在加减速以及特定工况下（启动和停车），退纸辊电机转动惯量变化范围很大，使得在稳态时下的PID控制器参数不适用。模糊PID控制算法是一种具有良好的自学习和非线性逼近能力的算法，其可以卓有成效地解决复杂系统中的参数时变、非线性等问题。此时模糊PID控制算法可以有效地利用模糊规则进行PID控制器参数的整定，改善系统闭环控制性能。

由文献[5]可知，在退卷张力控制系统中，经过逻辑推理后，输出的是模糊集合，然后模糊量不能直接用于张力控制，模糊集合经过清晰化处理，得到模糊PID控制算法3个控制量UP、UI和UD的模糊控制量表，分别如表1、表2和表3所示，以此调整模糊PID控制算法的3个参数的值。

在退卷张力控制中，以模糊PID控制算法的控制量表仿真结果为参考值，在实际系统中需要在现场反复调试来确定量化范围以及比例因子。正常匀速运行中，由于有间接张力控制，张力的偏差变化小及偏差变化率小，PID控制器参数值一般不用调整。但在退纸辊各种运行状态的动态转换过程或加减速过程中，纸幅张力变化及张力的变化率大。为了使退卷张力能尽快达到给定值，通过查表改变PID控制器的参数，来获得快速而稳定的响应。

把逆变器、电机和带原纸卷的退纸辊联系在一起，考虑到从前后底辊到退纸辊之间的纸幅较长，纸幅在张力辊上形成压力以及采样滤波等所需要的时间相当于纯延迟，被控对象的数学模型可等效成二阶惯性环节加纯滞后环节[6]。为此可将退卷控制系统的传递函数表示为公式（2）。

在退卷张力控制系统中，因数据不同，带原纸卷的退纸辊转动惯量、电机的配置、进线电抗参数等参数不同，退纸辊传递函数的具体参数也不尽相同，需要在调试现场进行整定。此处取了Tm=1，Tl=3，a=1，k=2，在此条件下，得到系统在阶跃响应下的作用结果。模糊PID控制系统仿真模型如图2所示。

在模糊PID张力控制器仿真模型中，对模型的参数设定合适的初始值，设定KP=0.55、KI=0.155和KD=0.4，张力给定r为1500 N/m。实际应用中，PID控制器初始值的选择可通过工人经验或者多次尝试得到最佳值。

为保证在定工况下的退卷张力能更好的跟随给定张力值，通过分析其中的PID控制器参数，模糊PID参数可根据给定调整至最佳的值。虽然在操作屏上对张力的给定是阶跃给定，但是到PLC之后需要进行斜坡处理，把阶跃给定变成平缓的S形曲线给定，以防纸幅上突加阶跃给定导致断纸。阶跃给定下的仿真曲线如图3所示，之所要得到阶跃给定下的响应曲线，其原因是若系统阶跃给定下的各项动态及稳态响应指标较好，则系统对其他给定下的响应效果也好。

2控制系统硬件结构设计

2.1控制系统能量分析

复卷机正常运行时，前后底辊逆变单元从直流母线端吸收能量，而退纸辊电机工作在制动发电状态下，能量流向直流母线端，该能量可供给前后底辊逆变器使用；当复卷机断纸急停或停车时，前后底辊和退纸辊电机均处于制动发电的运行状态下，这种情况下不宜将较多的能量通过电阻消耗掉，而是反馈回电网实现能量的节约。此时，需增加一套变流电路，使其工作于有源逆变状态并将直流公共端的能量返回电网，实现对交流电机的再生制动能量的再利用。本课题采用公共直流母线的供电方式[7]，采用整流装置为多电机提供稳定直流电源，所有逆变器均连接在公共直流母线端。若只有部分电机处于制动发电状态，则该回馈能量可提供给其他电机；若电机均处于制动发电状态，则可通过回馈装置将电机制动发电状态下产生的能量返回电网。

2.2公共直流母线的结构设计

复卷机公共直流母线控制的结构图见图4。如图4所示，变频传动方案采用整流回馈单元及3台逆变器驱动单元，采用自耦变压器使电压与电网相匹配，并配合进线电抗器降低系统对电网的谐波污染，给电机配置编码器实现对速度的实时检测。

系统对整流回馈装置的要求较高，需要整流回馈装置能够提供十分稳定的直流电源，此外，处于回馈状态时装置能够反馈回与电网频率相同的电能，必须选择精度高、性能好、有保障的整流回馈装置，因此本课题选用西门子公司6SE70整流回馈装置[8]。在对西门子6SE70整流回馈装置接线时需要一个外部24 V电源，装置提供的220 V交流电源可用于给冷却风机供电，提供的直流母線可供多个逆变器连接，配备的CBP2通信板可支持多种通信方式，实现数据的交换，如图5所示。

系统配置公共直流母线结构其优点主要有以下两点：①实现能量互补，防止设备因能量冲击造成故障，使系统安全平稳地运行。复卷机的退纸辊电机在制动时产生的能量可以用于系统其他用电设备，如圆刀电机、前后底辊电机等。同时，当多个传动点都处在制动状态下时，回馈能量较多，此时将能量反馈回电网，达到对能量的循环利用，避免浪费。②提高系统的控制精度。采取公共直流母线供电方式可以减少系统的布线，合理布局能够有效减少占地面积，降低电网谐波和提升抗干扰能力。

2.3硬件的选择及系统配置

根据生产需求，退纸辊电机功率选择为250 kW，退纸辊逆变器选择西门子公司矢量型逆变器具体型号为6SE7035-1TJ60，输入电压为DC510～650 V，功率为250 kW，逆变器的电气原理图如图6所示。完成电气原理图及组态连接后，根据现场实际运行情况及控制要求，还需对逆变器进行基本参数的设置。如p071为进线电压设置（变频器设AC 400 V/逆变器设DC 540 V），基本参数的设置如下：

p101：电机额定电压，V；

p102：电机额定电流，A；

p104：电机功率因数；

p107：电机额定频率，Hz；

p108：电机额定速度，r/min；

p113：电机额定转矩，N·m。

系统配置可编程逻辑控制器PLC作为中心控制单元，并配置操作屏进行现场控制、操作给定及数据观测，因复卷机在高速运行状态下工作，采用PROFIBUS-DP现场总线的连接方式保证响应的快速性。变频器完成对交流电机的控制与检测，现场工作人员通过操作屏对复卷机进行设置和给定，选取现场总线作为通信方式，操作屏选用西门子MP277，该操作屏包含DP接口、以太网接口，除此外还有USB接口，可以使用键盘和鼠标进行操作。通过PLC设置运行速度，设置不同工况下的张力给定，PLC生成控制指令控制逆变器并读取过程参数值存入数据库中，然后进入操作屏显示，方便现场人员观测。退卷张力控制系统的结构图如图7所示。

3结论

针对复卷机退卷张力控制中存在多扰动与非线性的问题，本课题采取直接张力控制与间接张力控制相结合的复合张力控制方式，通过在系统中引入前馈的控制，可抑制干扰、改善整个系统的稳态精度和响应速度；采用张力传感器实现闭环控制，使用模糊PID控制算法，建立张力控制器并对其进行仿真，仿真效果良好。

对交流传动下系统能量流向进行分析，对控制系统硬件主电路进行了设计，为实现能量的循环利用，构建了公共直流母线结构。依据浙江金华某造纸厂复卷机的原始数据与技术协议，对退卷张力控制系统进行了硬件设计，包括对退纸辊电机、PLC、逆变器进行了设计，构建通信网络。退卷张力控制系统以退纸辊交流电机作为执行机构，以PLC作为控制器，用操作屏作为给定及反馈显示器，用PFTL101张力传感器作为张力检测装置，该系统的硬件结构设计清晰、功能完善，控制效果良好。

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（责任编辑：常青）