葉繼英，沈曉群，姚齊國(guó)，熊 雕

(浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316022)

0 引 言

在造紙、印刷、繃帶、拉絲、軋鋼等很多場(chǎng)合，為了提高產(chǎn)品的質(zhì)量，要求保持材料張力的恒定，以紙卷為例，需要保持紙的張力恒定，也就是要保持紙的拉力恒定［1］.早期卷繞系統(tǒng)中的收放卷生產(chǎn)系統(tǒng)存在一些缺點(diǎn)，比如機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制精度不高等，直接影響到工廠生產(chǎn)的正常效率和產(chǎn)品質(zhì)量.必須對(duì)卷繞系統(tǒng)的電氣控制部分進(jìn)行改造，使之具有先進(jìn)可靠的控制和監(jiān)測(cè)功能，以適應(yīng)高效率安全生產(chǎn)的要求.

1 收放卷張力控制原理

張力是指物體受到拉力作用時(shí)，內(nèi)部任一截面兩側(cè)存在的相互牽引力.如圖1 所示，這是一個(gè)簡(jiǎn)化的收放卷張力控制系統(tǒng)，放卷和收卷各有一個(gè)電機(jī)，中間有牽引輥.

圖1 收放卷的張力控制系統(tǒng)

在張力控制系統(tǒng)中，紙料帶線速度的變化、卷徑的變化、機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化以及機(jī)械損耗等都可引起張力擾動(dòng)，其中卷徑的變化是引起張力變化的主要原因［2］.紙卷在小卷時(shí)，卷軸的轉(zhuǎn)速要快些，這樣才能保持紙料帶的線速度不變，此時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速稍快，力矩稍小;當(dāng)紙卷慢慢變大后，卷軸的轉(zhuǎn)速要逐漸變慢，此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速需變慢，力矩變大.整個(gè)系統(tǒng)不能因張力過(guò)大造成紙張過(guò)緊甚至拉斷，也不能因張力不足而造成紙張松弛，需保持張力恒定.以下就張力控制方法展開分析研究.

2 張力控制的方法

2.1 張力傳感器檢測(cè)張力

在簡(jiǎn)單的卷繞控制系統(tǒng)中，假設(shè)使用的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是磁粉制動(dòng)器(放卷側(cè))和磁粉離合器(收卷側(cè))，只需手動(dòng)改變接在線圈兩端的電壓，磁粉磁化程度發(fā)生變化，固定部件與運(yùn)動(dòng)部件之間的摩擦力發(fā)生變化，引起了運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)阻力變化，同時(shí)卷繞系統(tǒng)的材料張力就得到改變［3］.

當(dāng)張力的精度要求高時(shí)，可通過(guò)張力傳感器、PID 控制器、磁粉制動(dòng)器(或磁粉離合器)等組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，或者是張力傳感器、PID 控制器以及變頻器、電動(dòng)機(jī)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，另外還可在卷繞系統(tǒng)中加入觸摸屏用于全線生產(chǎn)速度和全部工藝參數(shù)的設(shè)定.PID 控制器可由PLC 的內(nèi)部模塊或者PID 指令設(shè)定.變頻器(Variable－frequency Drive，VFD)是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備.變頻調(diào)速電氣傳動(dòng)調(diào)速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運(yùn)行效率高，是一種理想的調(diào)速系統(tǒng)［4］.下面就以使用變頻器為例予以說(shuō)明，如圖2所示:

圖2 應(yīng)用傳感器張力控制系統(tǒng)框圖

張力傳感器把檢測(cè)到的張力轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)PV(0 ～5V)送入PLC，PLC(三菱的FX 系列為例)的PID 控制指令如圖3 所示.

圖3 PID 指令應(yīng)用

設(shè)定值SV 存放在D0，當(dāng)前值PV 存放在D1，比較后得到誤差信號(hào)e =SV－PV.數(shù)據(jù)位D100 ～D124 定義參數(shù)，包括采樣周期、比例增益KP、積分時(shí)間TI、微分增益KD等.當(dāng)e ＞0 時(shí)，PV 偏小(張力偏小)，PID 輸出u 增大，變頻器變頻后的U，V，W三端輸出到電機(jī)，促使電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高;當(dāng)e ＜0時(shí)，PV 偏大(張力偏大)，PID 輸出u 減小，變頻器變頻后輸出到電機(jī)，促使電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程一直持續(xù)到PV =SV.

2.2 超聲波測(cè)距張力控制系統(tǒng)

在卷繞系統(tǒng)中，物料的卷徑一直在變化，如果電機(jī)采用恒速旋轉(zhuǎn)，勢(shì)必會(huì)引起料帶的放松或拉緊，也就是張力失去了平衡.因此，可以采用超聲波測(cè)距的方法檢測(cè)卷徑D，再根據(jù)料帶線速度V 與電機(jī)轉(zhuǎn)速n 的關(guān)系得到轉(zhuǎn)速n 并可求出頻率f，最終信號(hào)送入放卷驅(qū)動(dòng)或收卷驅(qū)動(dòng)電路.

超聲波測(cè)距原理是指超聲波在測(cè)距之前，發(fā)射器先向某個(gè)方向發(fā)射出一串具有一定頻率的檢測(cè)信號(hào)，一般是8 個(gè)周期為10us 的方波，當(dāng)檢測(cè)信號(hào)在前方碰到障礙物就返回到超聲波傳感器，此時(shí)判斷前方有物體，超聲波再發(fā)出一個(gè)高電平，一直持續(xù)到信號(hào)返回并跳變?yōu)榈碗娖?因此，超聲波是從信號(hào)向外發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，直到超聲波接收器接收到返回信號(hào)時(shí)停止計(jì)時(shí)，所測(cè)到的時(shí)間以高電平的形式發(fā)送給控制器［5～6］.超聲波的速度不是恒定不變的，它隨著溫度的升高而升高，常溫下超聲波的速度為334 米/秒.精度要求高的系統(tǒng)需要采用溫度補(bǔ)償單元，溫度傳感器可以參考選用LM35，其攝氏溫度和輸出電壓成線性關(guān)系.假設(shè)超聲波從信號(hào)發(fā)射到接收的時(shí)間差為△t，發(fā)射點(diǎn)距離障礙物的距離定為S1，則

超聲波發(fā)射點(diǎn)到卷徑中心的距離為S，S 恒定不變，則料卷的卷軸直徑D:

超聲波測(cè)距示意圖如圖4 所示:

圖4 超聲波測(cè)距示意圖

選擇HC－SR04 超聲波測(cè)距模塊，具有2 ～400cm 的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)到3mm，模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路，測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速)/2.超聲波測(cè)距模塊如圖5 所示:

圖5 HS－SR04 超聲波測(cè)距模塊

單片機(jī)或者PLC 根據(jù)接收到的回響信號(hào)，提取出高電平時(shí)間△t，計(jì)算出測(cè)試距離S1并得到卷軸直徑D.卷繞系統(tǒng)中料帶測(cè)得的線速度為V，根據(jù)V=πDn/60 公式計(jì)算出電機(jī)所需的轉(zhuǎn)速n.由此可知，保持放卷速度與收卷速度一致，只需把電機(jī)轉(zhuǎn)速n 轉(zhuǎn)化為頻率f，并把此信號(hào)傳送給放卷驅(qū)動(dòng)和收卷驅(qū)動(dòng)單元.

當(dāng)然，超聲波測(cè)距的性能與被測(cè)物體的表面材料相關(guān)，假設(shè)在布料的卷放系統(tǒng)中使用，因布料對(duì)超聲波的反射率非常小，會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果，致使張力無(wú)法保持平衡.

2.3 兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)控制張力系統(tǒng)

采用兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)分別控制放卷和收卷.伺服電機(jī)也叫執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，控制機(jī)械器件運(yùn)轉(zhuǎn)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以控制轉(zhuǎn)速，它把接收到的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸上的角速度或角位移輸出以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象.伺服電機(jī)的主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降，信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象出現(xiàn).伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行張力控制時(shí)，可以不使用張力傳感器，只需獲取電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n.假設(shè)在電動(dòng)機(jī)和負(fù)載輥之間連接一個(gè)減速比為m 的減速電機(jī)，料帶的線速度V，伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n，料卷的直徑設(shè)為D，則可得出如下關(guān)系式:

調(diào)整關(guān)系式可得:

根據(jù)張力F 與轉(zhuǎn)矩T 的關(guān)系可得:

在恒張力控制中，也就是F 保持不變，料帶的線速度V 給定，測(cè)出轉(zhuǎn)速n 后就可推算出力矩T.當(dāng)伺服電機(jī)接收1 個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1 個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度(步角距)，因此控制輸入脈沖的頻率就可改變伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n，當(dāng)紙卷的直徑發(fā)生變化可保持張力F 恒定.

3 結(jié) 論

三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn).張力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是線性好、響應(yīng)快以及檢測(cè)范圍寬，但是不能吸收張力峰值，當(dāng)系統(tǒng)受到較強(qiáng)干擾時(shí)反應(yīng)滯后，料帶上的張力幅值波動(dòng)增大，延緩系統(tǒng)重新進(jìn)入平衡.伺服電機(jī)根據(jù)脈沖頻率變化產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作變化，其響應(yīng)特性和抗過(guò)載能力高于變頻器驅(qū)動(dòng)的交流電機(jī)，精度相對(duì)要高.變頻控制的精度雖然低些，但從成本考慮適用于大功率控制系統(tǒng).

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