變頻器和傳感器在卷繞張力精確控制中的應(yīng)用

摘要：半成品或成品如紗和卷布等在紡織生產(chǎn)過程中，被分批放置在漿紗機上漿，卷染機將紗和卷布繞在收放輥上。這些設(shè)備在卷繞過程中都有恒張力控制這樣一個共同的問題，直徑最小的到直徑最大卷繞中紗線和織物張力要求保持不變。利用變頻器的中心卷繞功能可以較好的解決卷繞恒定張力的控制問題。隨著變頻技術(shù)的問世，人們考慮把頻率控制技術(shù)應(yīng)用到中心卷繞上，交流電機可以發(fā)揮自己的優(yōu)勢：內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，經(jīng)濟可靠。經(jīng)過幾年的實踐證明，變頻調(diào)速技術(shù)可以滿足國內(nèi)外的中心卷繞技術(shù)，包括在整經(jīng)機，漿紗機，卷染機和其他設(shè)備已廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：中心卷繞 卷繞張力 變頻器控制 卷徑計算 稱重傳感器

前言：卷繞過程中接觸面的摩擦力不是固定的，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速恒定時滾筒的線速度不可能完全相同，尤其是主動卷輥表面光滑或操作初期，由于滾筒的摩擦較小，驅(qū)動時產(chǎn)生相對較小的滑動，張力不易控制，所以會有滾筒軸芯線圈不實，隨著滾筒直徑的增加，同時重量也開始增加，滾筒和驅(qū)動滾筒間產(chǎn)生了更大的摩擦，卷繞張力增加，如果速度調(diào)節(jié)不合適，由于表面的不規(guī)則性將擠壓卷芯，造成卷材擠出或端面不齊整。要讓卷繞裝置獲得均勻的卷繞張力，要經(jīng)常對滾筒增加配重，用以調(diào)節(jié)氣動或液壓式滾筒軸上施加垂直向下的力，以保證表面摩擦輥纏繞過程中，張力穩(wěn)定的要求，使材料的密度、硬度和纏繞效果達(dá)到最好。

1.卷繞方式和卷徑

紡織機械專用變頻器卷繞張力的控制主要是張力閉環(huán)控制和間接張力控制兩種。張力閉環(huán)控制方案應(yīng)用于精度要求較高的張力控制，張力傳感器檢測纏繞張力，轉(zhuǎn)換器反饋信號，通過交流伺服驅(qū)動和變頻器構(gòu)成一個閉環(huán)張力控制系統(tǒng)。間接張力控制方案沒有張力傳感器，通過專用交流伺服驅(qū)動器，根據(jù)所需轉(zhuǎn)矩間接地控制紗線或織物的表面張力。該方案具有低成本、易于掌握張力的控制精度。

由于表面摩擦決定卷材的繞效果，卷筒和驅(qū)動輥必須有足夠的摩擦力，驅(qū)動輥需要注意橡膠或草皮的保養(yǎng)更新。但對某些織物表面摩擦太大就會損壞織物或產(chǎn)生靜電，所以中心卷繞有其應(yīng)用的必要性。卷徑計算一般有兩種方式，第一種方法是通過PLC進(jìn)行卷徑計算。檢測出速度輸入PLC的繞線電機，由PLC進(jìn)行卷徑計算后再由變頻器輸出結(jié)果，控制繞組軸或滾輪的速度。第二種方法：利用變頻器的卷徑計算功能，由內(nèi)部完成卷徑計算（多數(shù)采用折是更高速的DSP芯片和相關(guān)軟件），調(diào)節(jié)卷繞張力就以變頻器計算的直徑為標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)外公司都推出了專有卷繞變頻器產(chǎn)品，如西門子公司，ABB和艾默生公司。

2.中心卷繞張力控制系統(tǒng)

中心卷繞驅(qū)動組的電機驅(qū)動卷繞軸由變頻器控制，保證卷繞張力的控制達(dá)到最佳效果。傳感器檢測的結(jié)果回到PLC模擬量輸入端，輸出信號的檢測準(zhǔn)確可靠，輸出速度信號與張力檢測信號疊加輸入另一變頻器進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)卷繞組閉環(huán)控制。中心卷繞張力控制包括恒張力控制和張力錐度控制兩個方面，恒張力控制中的錐度張力控制是一個特殊的情況。恒張力卷繞卷筒的直徑一直變化，必須保證速度和軋輥直徑成反比，電機的轉(zhuǎn)矩和螺旋線圈的直徑成正比，從而使卷材達(dá)到緊湊、均勻的效果。這種方式應(yīng)注意卷繞結(jié)束時扭矩將達(dá)到最大，根據(jù)減速器齒輪選擇電機的額定轉(zhuǎn)矩。纏繞過程中卷筒直徑發(fā)生改變，支撐軸和驅(qū)動軸的摩擦扭矩和速度在過渡中也發(fā)生改變，這些變化將導(dǎo)致織物表面恒定張力的波動，電動機輸出電磁轉(zhuǎn)矩時，需要克服摩擦力矩的機械慣量，在卷繞過程中對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行動態(tài)補償、靜態(tài)補償和加速補償，確保變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可以自動適應(yīng)這種變化。

中心卷繞軸系統(tǒng)：電動機，減速器驅(qū)動繞組帶（卷繞軸可逆控制）；

彈性框架（張力）位置檢測系統(tǒng)：電位器檢測浮動輥的位置，所施加負(fù)載上的浮輥張力控制；速度測量系統(tǒng)：塑膠靠輪等。

例：93EV的中心卷繞控制

卷徑變化范圍較大的工況，如超過1：10； 帶松緊架（Dancer Roll）的速度控制方式下的帶狀材料中心卷繞（收卷或放卷）控制；用負(fù)荷傳感器控制張力的情況，需要細(xì)致調(diào)整調(diào)節(jié)器，減小速度波動；以收卷為例加以說明，示意圖如下：

93EV內(nèi)部信號處理流程圖如下：

實現(xiàn)過程：X9信號接受主機線速度信號，AIN1接受張力實際信號。

信號具體變化過程如下：初始卷徑與輸入線速度產(chǎn)生初始卷繞速度------卷徑增大，張力輥上移------PID調(diào)節(jié)器產(chǎn)生相反的調(diào)節(jié)量------卷繞速度降低，產(chǎn)生新的計算卷徑，循環(huán)往復(fù)。由此保證恒定線速度收/放卷。

3.稱重傳感器在帶料的卷繞控制的應(yīng)用

卷繞控制是許多工業(yè)生產(chǎn)中最常見的問題。在紡織品，塑料薄膜和絲帶等產(chǎn)品生產(chǎn)過程中恒張力的控制對產(chǎn)品的質(zhì)量有著重要的影響。檢測扭矩可以選擇不同調(diào)控元件的組合，還要有不同的張力控制方案，用稱重傳感器直接測量張力最容易控制。稱重傳感器的張力釋放可以采用磁粉制動器和磁粉離合器調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩，再用調(diào)試好的單片機系統(tǒng)配合使用，對張力的測試可以達(dá)到很高的精度。

系統(tǒng)選用應(yīng)變式雙孔平行梁稱重傳感器，輸出靈敏度高，在額定負(fù)載條件下選擇了稱重傳感器。該傳感器的技術(shù)相對成熟，并已得到廣泛應(yīng)用。磁粉制動器是一種新型的轉(zhuǎn)矩控制元件，在額定的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩和勵磁電流是成正比的，可以被視為一種線性控制元件。磁粉制動器加載裝置的制動控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種工況環(huán)境中。

該系統(tǒng)是由單片機控制的閉環(huán)系統(tǒng)，直接通過張力傳感器的反饋對張力進(jìn)行調(diào)整。單片機通過反饋量和供應(yīng)鏈的綜合運算，其結(jié)果是降低了轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，驅(qū)動輸出電壓和磁粉制動器的勵磁電流都有下降的趨勢，磁粉制動器力矩變小，從而實現(xiàn)恒張力控制。通過控制磁粉離合器輸入軸和輸出軸之間的滑差來實現(xiàn)恒定張力，與磁粉制動器的工作原理是基本相同的。對要求恒張力的生產(chǎn)線來說，稱重傳感器系統(tǒng)的反饋式調(diào)節(jié)恒張力的控制性能優(yōu)于其他間接反饋，該系統(tǒng)實用，可靠，成本低，結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝和使用。

錐度張力控制原理是在卷繞過程中由錐度張力控制轉(zhuǎn)矩，直徑逐漸增大，纏繞角速度減小，張力逐漸降低，實現(xiàn)了外層放松的效果。錐度張力控制模式本質(zhì)上是驅(qū)動轉(zhuǎn)矩控制模式，改變驅(qū)動卷繞速度常數(shù)，轉(zhuǎn)矩模式可以滿足這一要求。在轉(zhuǎn)矩控制模式中，根據(jù)給定的扭矩和線圈的直徑設(shè)置液壓張力，并可以計算出變頻器的扭矩值，如果扭矩小于給定值或速度有一定的浮動，卷繞速度、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也相應(yīng)的在一個給定的范圍內(nèi)浮動。由于卷繞錐度張力通過電機的轉(zhuǎn)矩控制，早期階段物料松散，張力小，卷繞電機阻扭矩幾乎為零，電機在轉(zhuǎn)矩控制模式的速度遠(yuǎn)高于理想速度，受到速度和卷筒直徑的影響，此刻材料不可避免的會出現(xiàn)斷裂。因此，在初始階段的速度控制很重要，電機的速度可以逐漸穩(wěn)定最終達(dá)到輸出轉(zhuǎn)矩的理想值。電機的速度控制模式運行速度比理想的值稍快，對材料逐漸收緊的影響不是立竿見影，材料繃緊后，由于力矩限制器纏繞機將無法達(dá)到給定的速度，速度控制達(dá)到飽和，力矩相當(dāng)于實際的電機轉(zhuǎn)矩，錐度張力控制轉(zhuǎn)矩比較穩(wěn)定，所以這種情況下卷軸也不會損壞。

4.結(jié)束語

中心卷繞恒定張力的控制系統(tǒng)以實現(xiàn)卷繞張力的穩(wěn)定控制，張力閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)性能、PLC控制和變頻系統(tǒng)及稱重傳感器對這一生產(chǎn)過程中張力進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)靜態(tài)、動態(tài)摩擦補償和機械慣性增強自動應(yīng)變能力；根據(jù)直徑和線速度傳感器的設(shè)定值計算電流，控制電機的速度，從而得到基本恒定的張力，產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵就是對纏繞張力的控制。卷繞張力過大可以使織物拉伸變形或斷裂；張力過小會出現(xiàn)松弛，拉伸失穩(wěn)將導(dǎo)致卷筒不一致，端面不平等問題。因此，為了獲得良好的質(zhì)量，必須提高系統(tǒng)對卷繞恒定張力的控制。

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作者簡介：康松振：1982年04月26日，助理電氣工程師，研究方向低壓供配電設(shè)計

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