（中国乐凯集团有限公司胶片事业部）
摘要：对卷绕系统中的收放卷张力控制进行了概述，针对张力的控制，提出了三种实用的解决方法，即应用张力传感器、超声波模块以及伺服电机，实现料带收放卷时的速度恒定，提高了产品质量。最后对三种实现张力恒定方法的优缺点进行了比较分析。
关键词：卷绕系统；张力；控制
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。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卷绕系统中的张力控制概述
张力控制广泛应用于各种卷壳及滚筒组成的卷绕生产线上,特别是印刷包装行业。对卷绕机械来说,要实现良好的张力控制,建立一个数学模型进行分析是必要条件。本文首先在物理定律的基础上给出一个比较精确的数学模型。而对于一个性能优良的张力控制器来说,除了要采用更智能的控制策略外,良好的控制曲线设计可以取得事半功倍的效果,为此还给出了控制器的运行曲线,这些运行曲线在实际的运行中取得了良好的效果。
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。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－frequencyDrive，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，下面就以使用变频器为例予以说明，如图所示:
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。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。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。得出张力F与转矩T的关系：
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。
结束语
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。
参考文献：
[1]赵阳,范多旺,孔令刚,李彦哲.真空卷绕镀膜机开卷张力控制系统研究[J].真空科学与技术学报,2011,01:44-49.
[2]徐立萍,王娣.卷绕系统中收放卷的张力控制方法[J].合成纤维,2011,01:45-48.
[3]瞿成明,王建平,凌有铸,朱程辉.卷绕系统中一种张力智能观测器的设计[J].仪器仪表学报,2012,10:2349-2355.
[4]张涛,臧小惠,杨劲松.卷绕线张力控制系统的建模与研究[J].计算机仿真,2008,02:328-331.
[5]纪铜钊,李兴根.卷绕系统张力控制的两个通用技术[J].轻工机械,2003,01:15-18.
[6]李昌禧.卷绕系统的卷径检测和张力控制[J].华中理工大学学报,1996,01:38-40.
[7]任剑,靳建鼎.薄膜卷制过程中张力控制系统的应用[J].电子工艺技术,2010,03:172-176.
[8]叶继英,沈晓群,姚齐国,熊雕.卷绕系统中收放卷张力控制方法研究[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2015,01:120-122.
论文作者:杨文霞,吴兵
论文发表刊物:《电力设备》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/21
标签：卷绕论文; 系统论文; 超声波论文; 转速论文; 电机论文; 信号论文; 电动机论文; 《电力设备》2017年第19期论文;