基于轉矩控制模式卷紙機收卷恒張力控制系統設計

趙瑞林，王宗哲

（1.陜西工業職業技術學院 電氣工程學院，陜西 咸陽 712000；2.西北電力建設第三工程有限公司 陜西 咸陽712000）

基于轉矩控制模式卷紙機收卷恒張力控制系統設計

趙瑞林1，王宗哲2

（1.陜西工業職業技術學院 電氣工程學院，陜西 咸陽 712000；2.西北電力建設第三工程有限公司 陜西 咸陽712000）

針對在卷紙機自動控制系統中為了取得卷紙張力控制和調節信號的目的，采用伺服系統的轉矩給定信號，組成高精度的張力自動平穩、轉換的恒張力控制系統，通過檢測出卷紙半徑R，隨著R的變化測試調節自動適應的轉矩M，可準確的取得正比于卷徑的張力控制信號，以實現卷紙機收卷的恒張力控制。

卷紙機；轉矩控制模式；伺服驅動；恒張力控制

在造紙機卷紙自動控制系統中，為了取得卷紙張力控制和調節信號，張力控制系統必須具有張力檢測與自動適應控制單元，如何檢測出卷紙直徑R并對張力F進行控制，組成高精度的張力自動平穩、轉換的恒張力控制系統，這是卷紙機的關鍵技術[1]。卷紙機位于在造紙機的末端，用來把紙卷繞成卷，保證紙卷纏卷得緊，兩邊整齊和在卷筒的全寬上松緊一致，是紙的保存和加工的必要條件[2]。

1 控制要求

卷紙機的結構示意圖如圖1所示。卷紙機在卷紙時，壓紙輥將紙壓在托紙輥上，卷紙輥在伺服電機驅動下卷紙，托紙輥與壓紙輥也隨之旋轉，當收卷的紙達到一定長度時切刀動作，將紙切斷，然后開始下一個卷紙過程，卷紙的長度由與托紙輥同軸旋轉的編碼器來測量[4]。

卷紙系統由PLC、伺服驅動器、伺服電動機、卷紙機組成[5]。

控制要求如下：

1）按下起動按鈕后，開始卷紙，在卷紙過程中，要求卷紙張力保持不變，即卷紙開始時要求卷紙輥快速旋轉，隨著卷紙直徑不斷增大，要求卷紙輥的轉速逐漸變慢，當卷紙長度達到100 m時切刀動作，將紙切斷[6]。

圖1 卷紙機的結構示意圖

2）按下暫停按鈕時，機器工作暫停，卷紙輥停轉，編碼器記錄的紙長度保持，按下起動按鈕后機器工作，在暫停前的卷紙長度上繼續卷紙，直到100 m為止。

3）按下停止按鈕時，機器停止工作，不記錄停止前的卷紙長度，按下起動按鈕后機器重新從0開始卷紙[7]。

2 控制線路圖

卷紙機的收卷恒張力控制線路圖如圖2所示。

圖2 卷紙機的收卷恒張力控制線路圖

電路工作過程如下：

1）電路的工作準備

220 V的單相交流電源經過開關NFB送到伺服驅動器的L11、L21端，伺服驅動器的內部控制電路開始工作，ALM端內部變為ON，VDD端輸出電流經繼電器RA線圈進入ALM端，RA線圈得電，電磁制動器外接RA觸點閉合，制動器線圈得電而使抱閘松開，停止對伺服電動機制動，同時附屬電路中的RA觸點也閉合，接觸器MC線圈得電，MC主觸點閉合，220 V電源送到伺服驅動器的L1、L2端，為內部的主電路供電[8]。

2）收卷恒張力控制

第一，起動控制。按下起動按鈕SB1，PLC的Y0、Y1端輸出為ON，伺服驅動器的SP1、ST1端輸入為ON，伺服驅動器按設定的速度輸出驅動信號，驅動伺服電動機運轉，電動機帶動卷紙輥旋轉進行卷紙[9]。在卷紙開始時，伺服驅動器U、V、W端輸出的驅動信號頻率較高，電動機轉速較快，隨著卷紙輥上的卷紙直徑不斷增大時，伺服驅動器輸出的驅動信號頻率自動不斷降低，電動機轉速逐漸下降，卷紙輥的轉速變慢，這樣可保證卷紙時卷紙輥對紙的張力恒定。在卷紙過程中，可調節RP1、RP2電位器，使伺服驅動器的TC端輸入電壓在0~8 V范圍內變化，TC端輸入電壓越高，伺服驅動器輸出的驅動信號幅度越大，伺服電動機運行轉矩越大。在卷紙過程中，PLC的X0端不斷輸入測量卷紙長度的編碼器送來的脈沖，脈沖數量越多，表明已收卷的紙張越長，當輸入脈沖總數達到一定值時，說明卷紙已達到指定的長度，PLC的Y5端輸出為ON，KM線圈得電，控制切刀動作，將紙張切斷，同時PLC的Y0、Y1端輸出為OFF，伺服驅動器停止輸出驅動信號，伺服電動機停轉，停止卷紙[10]。

第二，暫?？刂?。在卷紙過程中，若按下暫停按鈕SB2時，PLC的Y0、Y1端輸出為OFF，伺服驅動器的SP1、ST1端輸入為OFF，伺服驅動器停止輸出驅動信號，伺服電動機停轉，停止卷紙，與此同時，PLC將X0端輸入的脈沖數量記錄保持下來[11]。按下起動按鈕SB1，PLC的Y0、Y1端輸出又為ON，伺服電動機又開始運行，PLC在先前記錄的脈沖數量上累加計數，直到達到指定值時才讓Y5端輸出ON，進行切紙動作，并從Y0、Y1端輸出OFF，讓伺服電動機停轉，停止卷紙。

第三，停止控制。在卷紙過程中，若按下停止按鈕SB3時，PLC的Y0、Y1端輸出為OFF，伺服驅動器的SP1、ST1端輸入為OFF，伺服驅動器停止輸出驅動信號，伺服電動機停轉，停止卷紙，與此同時Y5端輸出ON，切刀動作，將紙張切斷，另外PLC將X0端輸入反映卷紙長度的脈沖數量清零，這時可取下卷紙輥上的卷紙，再按下起動按鈕SB1后可重新開始卷紙[12]。

3 參數設置

伺服驅動器的參數設置內容如表1所示。

在表中：將No.0參數設為0004，讓伺服驅動器工作在轉矩控制模式；將No.8參數設置為1000，讓輸出速度為1000 r/min；將No.11、No.12參數均設置為1000，讓速度轉換的加、減速度時間均為1 s（1 000 ms）；將No.20參數設為0010，其功能是在停電再通電后不讓伺服電動機重新起動，且停止時鎖定伺服電動機；將No.41參數設為0001，其功能是讓SON信號由伺服驅動器內部自動產生，LSP、LSN信號則由外部輸入[13]。

表1 伺服驅動器的參數設置內容

4 PLC控制程序設計

圖3所示為卷紙機的收卷恒張力控制梯形圖。

下面對照圖2來說明圖3所示梯形圖的工作原理。

卷紙系統采用與托紙輥同軸旋轉的編碼器來測量卷紙的長度，托紙輥每旋轉一周，編碼器會產生N個脈沖，同時會傳送與托紙輥周長S相同長度的紙張[14]。傳送紙張的長度L、托紙輥周長S、編碼器旋轉一周產生的脈沖個數N與編碼器產生的脈沖總數D滿足下面的關系對于一個卷紙系統，N和S值一般都是固定的，而傳送紙張的長度L可以改變，為了程序編寫方便，可將上式變形為例如，托紙輥周長S為0.05 m，編碼器旋轉一周產生的脈沖個數N為1 000個脈沖，那么傳送紙張的長度L為100 m時，編碼器產生的脈沖總數D=100×PLC采用高速計數器C235對輸入脈沖進行計數，該計數器對應的輸入端子為M0[15]。

圖3 卷紙機的收卷恒張力控制梯形圖

5 結束語

利用伺服系統的轉矩給定信號，可準確的取得正比于卷徑的張力控制信號。這種方法具有結構簡單、運行可靠、線性度較好、經濟性高等特點，采用轉矩模式為卷紙恒張力控制提供了一個切實可行的控制方案。此方案同樣適用于其他類似張力的控制系統。

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Based on the torque control mode to receive a roll of paper rolconstant tension control system design

ZHAO Rui-lin1，WANG Zong-zhe2
（1.College of Electrical Engineering，Shannxi Poletechnic Institute，Xianyang 712000，China；2.Northwest Power Construction Third Engineering Co.Ltd，Xianyang 712000，China）

For tension reel automatic control system in order to achieve the purpose of controlling and regulating the tension roll signal， servo system， the torque reference signal， consisting of high-precision automatic smooth conversion of constant tension control system，by detecting the volume paper radius R，with R adjusted automatically adapt to changes in the test torque M，can be accurately made proportional to the roll diameter tension control signals to achieve constant tension control winding of the reel.

rolls of paper machine； torque control mode； servo drive； constant tension control

TN709

A

1674－6236（2017）12-0081-04

2016-05-31稿件編號：201605304

趙瑞林（1976—），男，陜西寶雞人，碩士研究生，副教授。研究方向：控制工程與控制理論。