全數字張力控制系統的研究

陳杰金　霍覽宇

【摘 要】本文研究了國內外張力控制系統的數字化發展趨勢，并分析對比目前市面上各種張力控制系統的特點和不足，提出了基于通用PLC控制器和變頻器為核心的全數字張力控制系統設計方案。

【關鍵詞】數字化；張力控制系統；PLC；變頻器

1 問題的提出

很多行業涉及到張力的控制，張力控制系統是以卷材為材料的生產機械上最重要的控制系統，在冶金、紡織、造紙、印染等許多行業應用廣泛，各種產品如鋼板、鋁箔、布料、塑料薄膜、紙張等卷材，這些材料在加工過程中需要卷曲或者開卷等工序，如鋁箔張力控制系統，鋁帶經過粗軋、精軋等多個工序，變為鋁箔之后卷曲成一卷成品。這個過程中張力的控制非常重要，張力過大、過小都會造成卷材質量問題，導致成品率低，比如在放卷、收卷以及過程中，都要保持一定的張力（或者稱之為拉伸力），過大的張力會導致材料變形、甚至斷裂，而過小的張力又會松弛，導致褶皺，張力控制不穩也會造成不勻、切斷長度不穩定等現象，所以必須對張力進行控制，保持張力恒定。由于張力會隨著卷徑而變化，而張力的變化對卷取效果會有很大影響。因此說恒張力控制是高精度卷取控制的關鍵環節。

在某些某冶金企業中仍有為數不少的卷取張力控制設備，其張力控制系統仍采用傳統的模擬電子插板式控制系統，以分立的電子器件控制，設備老化，故障頻發，急需進行控制系統的升級改造。本文主要是針對這個問題，提出了基于PLC和變頻器為核心的恒張力的控制方案，以較低的成本和較好的控制效果，實現設備的價值再現。

2 國內外研究現狀綜述

目前高精度的張力控制均能采取閉環控制，通常根據控制方式可分為直接張力控制、間接張力控制和復合張力控制三種方式。直接張力控制，是構建張力閉環控制系統，利用張力檢測元件的檢測信號與給定張力值比較，通過張力調節器，驅動執行機構，調節張力輥的位移，進而達到控制張力的目的；間接張力控制則是對卷取張力建模，通過對卷取機構的轉矩方程進行靜態、動態分析，確定影響張力的相關因素（如電流、卷徑等），進而對這些因素進行反饋控制（如電流反饋、反電勢反饋、卷徑反饋控制等），從而達到恒張力控制的目的。復合恒張力控制則是兩者的結合。在間接張力控制方式的基礎上，增加一個張力閉環，形成三環控制系統。近年來，國內外卷取張力控制現狀主要有以下兩個方面：

（1）利用制動器（磁粉離合器）的勵磁電流與輸出力矩的線性關系，通過控制和調節磁粉離合器的勵磁電流進而控制輸出力矩，實現張力控制。這種方式主要應用在輕工業如紡織、印刷行業等，代表產品有三菱張力控制器、華納張力控制器等等，市場上產品豐富。

（2）通過標準工藝張力控制板及附帶的控制軟件，通過交直流傳動裝置，完成張力控制中的動態力矩補償、卷徑計算、恒張力控制等功能，進而實現恒張力控制，這種方式主要應用于冶金行業。代表產品有西門子T400張力控制工藝板。

目前張力控制設備的發展趨勢是向功能多樣化、產品系列化和微機化方向發展，集機、電、液一體。隨著智能控制理論的發展，新型張力控制系統也得到了應用，如模糊參數自整定PID張力控制，基于神經網絡的張力控制系統，這也是張力控制設備發展的另一個方向。

3 方案設計

本系統主要以以高性能PLC和變頻器為控制核心，以組態軟件為監控層，在原張力控制系統基礎上進行全數字化改造，采用間接張力控制方案，優化張力控制算法，優化設計錐度、卷徑和動靜態張力補償以及速度和轉矩的計算方法，克服建張階段和加減速過程中的張力振蕩，滿足性能要求。本接張力控制系統的優勢在于不需要額外的張力檢測元件，而是通過計算分析建立張力方程，確定張力與電樞電路、勵磁、卷徑直接的相互關系，提供一種經濟實用的鋁箔張力控制方案。本論文要解決的兩個關鍵問題：一是，間接張力控制（主要是通過卷徑的實時檢測和計算）；二是，張力控制系統的PLC變頻控制統的硬件設計。本系統采用速度模式張力控制。

速度模式張力控制通過調節變頻器頻率給定，進而調節電機運行速度，從而實現張力恒定控制。因此根據反饋信號計算張力同步匹配的頻率反饋信號，與頻率設定值構成PID閉環，從而調整變頻器輸出，達到恒張力控制。張力匹配頻率的可以通過F=（V×p×i）/（π×D）計算得到（F為張力同步匹配頻率指令，V為卷取線速度，p為電機極對數，i為機械傳動比，D為收卷卷徑）。因此要獲取張力配套頻率反饋，必須要計算出線速度V和實時卷徑D的大小。

通過圖1，可以分析線速度和卷徑的計算方法。在單位時間內測量輥走過的鋁箔長度與卷取機收卷的長度是相等的。假設單位時間內牽引電機運行轉速為n1，測量輥的周長為C1，因此單位時間內，測量輥的走過的長度為n1C1；同樣卷取機收卷的長度為i×n2C2（i為減速箱的減速比）。

由于n1C1=i×n2C2，即n1πD1=n2πD2/i；D2=n1×D1×i/n2；卷取電機的轉速可以通過編碼器測量n2=P2/Pn2（P2為編碼器產生的脈沖個數，Pn2為編碼器的線數）。為方便計算，取n1=1，這樣測量輥轉1圈，也就是PLC每收到1個接近開關信號，此時根據：V=πD1；D2=D1×i×P2/Pn2進行計算，間接得到線速度和實時卷徑。

本系統采用西門子S7-200PLC做控制單元，西門子MM440變頻器為驅動單元，西門子TP177做操控單元。PLC通過高速脈沖計算編碼器反饋的數據，通過程序計算卷取線速度和實時卷徑的大小，進而通過PID調節，輸出頻率指令，并通過模擬量模塊，送給兩臺變頻器，從而實現轉速的自動調節，維持張力的恒定。

4 動態補償

卷取機構在收卷過程中會存在大卷、小卷、加速、減速、停車、啟動等不同工科，為保證張力的平穩性，需要進行轉矩的補償。卷取電機的轉矩=靜摩擦轉矩（啟動瞬間）+滑動摩擦轉矩+負載轉矩，本系統按照電機輸出轉矩的百分比，在啟動瞬間進行靜摩擦轉矩的補償；在速度變化時，根據加速度設置相應的補償系數進行轉矩補償，穩定運行時根據不同速度，以收卷額定轉矩為標準，在PLC程序中進行分段補償。

同時還要進行速度的限制。如卷取機構在空芯卷徑時的轉速是最快的，可以根據空心轉徑D0、線速度的最大值、張力最大設定值和減速比，計算最高轉速，并進行限制，這樣可以避免飛車事故；同樣，對于交流異步電機，變頻器頻率給定很低的時候會出現爬行等不穩定現象，當達到最大卷徑時，電機轉速最慢，因此要根據參數計算最低轉速，并進行限制。

5 總結

本方案采用了速度模式張力控制，通過PID調節能夠滿足控制要求。當然也可以采用轉矩模式張力控制，目前市面上提供了很多高性能的矢量控制變頻器，通過測速電機或編碼器，能對電機的轉矩做精確反饋，這里不再累述。進行了變頻收卷的改造后，收卷都很穩定，張力始終恒定。而且經過PLC的處理，在特定的動態過程，加入一些動態的調整措施，使得收卷的性能更好。由于采用通用的控制系統和方案，改造簡便而且造價低，周期小，能夠滿足企業的需求。

【參考文獻】

[1]董建芝，孫彬，董躍敏.熱連軋卷取機智能張力控制系統[J].自動化應用，2011.

[2]張曉武，崔桂梅，劉丕亮.冷軋帶鋼卷取張力控制系統的研究[J].自動化應用，2011.

[3]許紅兵，彭輝.剪切線張力控制系統及應用[J].冶金自動化，2010.

[4]應騰云，張森林.基于模糊-PI并聯控制的經紗張力控制系統[J].紡織學報，2010.

[5]蘇全在.冷連軋卷取張力控制系統研究[D].東北大學，2010.

[6]景征.冷連軋板帶張力控制系統的研究[D].河北工業大學，2011.

[7]李冬.退火生產線張力控制系統的研究[D].河北工業大學，2011.

[8]馮傳兵.安鋼爐卷軋機卷軋張力控制[J].電氣傳動，2011.

[責任編輯：湯靜]