高光荻　康家玉

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,陜西西安,710021)

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復(fù)卷機(jī)退卷張力自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高光荻康家玉

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,陜西西安,710021)

摘要：針對復(fù)卷機(jī)工作時退卷張力控制難的問題,在分析了退卷張力對紙幅質(zhì)量影響的基礎(chǔ)上,確定了退紙輥的控制要求并對控制方案進(jìn)行合理選擇,完成了復(fù)卷機(jī)退卷張力自動控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。將公共直流母線結(jié)構(gòu)應(yīng)用于復(fù)卷機(jī)傳動控制系統(tǒng)中,能充分利用再生能量,提高復(fù)卷機(jī)運(yùn)行效率；對退紙輥控制部分進(jìn)行軟件模塊化編程,使其具有普適性。該退卷張力自動控制系統(tǒng)在實(shí)際中的運(yùn)用效果較好,適當(dāng)改動即可適用于多種復(fù)卷場合下退卷張力的控制。

關(guān)鍵詞：復(fù)卷機(jī)；退卷張力；交流傳動；公共直流母線

現(xiàn)今對復(fù)卷機(jī)卷取工藝的要求提高了,體現(xiàn)在復(fù)卷機(jī)車速提高、紙幅幅寬變大及對退卷張力的控制精度提升,且復(fù)卷機(jī)在高速穩(wěn)定運(yùn)行狀況下長期工作也能夠節(jié)約成本。退卷張力會影響紙幅質(zhì)量,需合理選擇退卷張力控制方案。退卷張力控制系統(tǒng)采用交流變頻傳動方式并配置公共直流母線結(jié)構(gòu),能合理利用退紙輥電機(jī)制動運(yùn)行產(chǎn)生的能量；采用軟件模塊化編程控制退卷輥,可實(shí)現(xiàn)對退卷張力的精確控制,卷取出符合要求的高質(zhì)量成品紙卷[1]。

圖1　復(fù)卷機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1退卷張力控制要求

由復(fù)卷機(jī)結(jié)構(gòu)(見圖1)可知,復(fù)卷過程中,紙幅在前后底輥帶動下從退紙輥卷取到紙芯上,成為成品紙卷。退卷張力為前后底輥與退紙輥間的紙幅張力,是由前后底輥與退紙輥之間的速度差引起的。紙幅在受到拉伸后會有一段彈性伸長,產(chǎn)生形變ΔL。同種紙幅的ΔL不變,退卷張力一定。紙幅復(fù)卷方式為中心卷曲的方式,隨著紙幅卷徑的實(shí)時變化,退卷張力也會發(fā)生變化。復(fù)卷過程中,隨著退紙輥上紙幅被卷曲到成品紙卷上,退紙輥上紙幅卷徑越來越小,而退卷線速度(v(t)=ω(t)×R(t),ω(t)為退紙輥電機(jī)角速度,R(t)為退紙輥上紙幅半徑)保持不變,故需要對紙幅卷徑進(jìn)行補(bǔ)償。這些說明退卷張力控制系統(tǒng)是線速度跟隨系統(tǒng),應(yīng)保持前后底輥和退紙輥速度差恒定，當(dāng)紙幅卷徑變化時改變退紙輥轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)線速度恒定。根據(jù)卷取順序,對退卷張力控制系統(tǒng)的要求分為以下幾個方面[1-2]：

(1)先引紙,此時前后底輥及退紙輥都低速運(yùn)行,且前后底輥的速度略大于退紙輥速度,退紙輥處于正向電動低速運(yùn)行狀態(tài),保持一定的拖動張力。

(2)引紙后,需將紙幅拉直,保持一定的靜張力,此時前后底輥停止,退紙輥處于投張狀態(tài),此時退紙輥應(yīng)是反向電動低速運(yùn)行狀態(tài),直至紙幅被拉平。

(3)開始卷取,給定前后底輥速度,前后底輥之間進(jìn)行負(fù)荷分配,使復(fù)卷機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行,進(jìn)行紙幅卷取。復(fù)卷開始和結(jié)束時分別會有一個加減速過程,為了防止退卷張力突變,必須進(jìn)行S形曲線給定并設(shè)定加減速時間,使退卷張力變化平滑。

(4)成品紙卷的形態(tài)需內(nèi)緊外松,當(dāng)成品紙卷直徑達(dá)到一定大小時,應(yīng)適當(dāng)減小退卷張力,以調(diào)整紙卷的硬度。

復(fù)卷過程中,退紙輥電機(jī)正常工作時處于制動發(fā)電狀態(tài),有時也會處于電動引紙狀態(tài),且退紙輥線速度要跟隨前后底輥,退紙輥上紙幅卷徑的時變性以及外環(huán)境的擾動,使得對退卷張力控制的難度增大。

對退卷張力的控制要求即使給定等于實(shí)際,不同工況下對退卷張力的要求也不同。不管基于何種工況，所設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)需滿足上述4點(diǎn)控制要求,避免出現(xiàn)紙幅斷裂、折疊等問題,才能卷取出符合要求的高品質(zhì)成品紙卷。

2退卷張力控制方案

退紙輥上紙幅卷徑D的時變性會導(dǎo)致退卷張力F和退紙輥線速度v的時變性,所以退卷過程是動態(tài)過程。分析此動態(tài)過程可先從復(fù)卷機(jī)穩(wěn)定工作時入手,再分析動態(tài)情況,以便對退紙輥進(jìn)行控制。

復(fù)卷機(jī)穩(wěn)定工作時,給定后底輥速度,作為整個系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時的基準(zhǔn)速度,而退紙輥電機(jī)工作在制動發(fā)電狀態(tài),退紙輥與前后底輥之間保持一定的速度差,使紙幅具有一定的張力。預(yù)設(shè)一個退卷張力作為復(fù)卷機(jī)穩(wěn)定工作時的張力給定,可列出以下公式：

(1)

TF=CTΦID

(2)

由式(1)和式(2)可得：

(3)

式中,TF為制動力矩,F為退卷張力,ID為制動電流,CT為電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù),Φ為電機(jī)磁通。一般情況下,電機(jī)的CT與Φ為固定值。由式(3)可知,只需使制動電流ID按照退紙輥上紙幅卷徑D的變化線性控制,便可使退卷張力恒定。

以上討論只考慮在復(fù)卷機(jī)穩(wěn)速運(yùn)行狀態(tài)下對退卷張力的控制,實(shí)際運(yùn)行中常需對復(fù)卷機(jī)進(jìn)行加速或減速。加速或減速過程中會導(dǎo)致退卷張力的變化,僅通過張力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)無法使退卷張力恒定,導(dǎo)致紙幅斷紙或褶皺。動態(tài)補(bǔ)償指在復(fù)卷機(jī)加速或減速過程中對退紙輥電機(jī)附加動態(tài)轉(zhuǎn)矩T動態(tài),見式(4)～式(7)。

(4)

(5)

(6)

(7)

式中，T為電機(jī)電磁力矩,T0為電機(jī)空載力矩,J為總轉(zhuǎn)動慣量，JM為輥軸轉(zhuǎn)動慣量,JP為紙卷轉(zhuǎn)動慣量,ρ為紙卷密度,b為紙卷寬度,d為輥芯半徑,R為紙卷半徑。以上討論的控制方式都是針對退紙輥電機(jī)。由式(7)可知,只要檢測退紙輥上紙幅卷徑D和退紙輥線速度變化率dv/dt等動態(tài)變量,就可計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)膭討B(tài)轉(zhuǎn)矩T動態(tài)。復(fù)卷機(jī)加速和減速時,分別對退紙輥電機(jī)附加一個負(fù)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩和正的動態(tài)轉(zhuǎn)矩,以補(bǔ)償電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量,保持退卷張力恒定[2]。

以上對退卷張力的控制方式為間接張力控制。間接張力控制作為一個大調(diào)節(jié),基本可以完成低要求下對退卷張力的控制,但無法達(dá)到很高的精度,因此，還需對退卷張力進(jìn)行直接張力控制。

直接張力控制是一種反饋控制,即通過張力傳感器檢測出實(shí)時退卷張力,并將此檢測值與給定值進(jìn)行比較,偏差進(jìn)入PID控制器,輸出退紙輥電機(jī)制動電流的微調(diào)量。直接張力控制與間接張力控制共同作用,可得到實(shí)時狀態(tài)下退紙輥電機(jī)的制動電流。選用的張力傳感器為ABB公司的PFTL101型張力傳感器,因傳感器感應(yīng)電壓較小,需對信號進(jìn)行放大、整流和濾波處理。采用張力控制板(型號為ABB公司PFTA101)對信號進(jìn)行放大,輸出標(biāo)準(zhǔn)的DC5V信號。

張力傳感器采集的信號通過張力控制板后輸出, 5 V的信號對應(yīng)400 N/m的紙幅退卷張力。使用可編程羅輯控制器(PLC)的模擬量輸入信號模塊以采集電壓信號并將此模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號,以進(jìn)入PLC中數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算程序塊中。PID控制器根據(jù)采集來的反饋進(jìn)行運(yùn)算,得出退卷張力輸出值。退卷張力間接張力控制與直接張力控制共同作用于退紙輥電機(jī)，以達(dá)到對退卷張力的精確控制[3]。

采用逆變器對退紙輥電機(jī)進(jìn)行控制時,在控制好退紙輥電機(jī)制動電流的情況下,使退紙輥角速度隨著紙幅卷徑的減小而增大。調(diào)速系統(tǒng)的性能取決于對電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的質(zhì)量。直接轉(zhuǎn)矩控制方式采用定子磁場定向方式,對定子電流磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制,控制結(jié)構(gòu)簡單,轉(zhuǎn)矩控制效果好。直接轉(zhuǎn)矩控制方式在復(fù)卷機(jī)交流傳動控制中起著不可取代的作用,其系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

直接轉(zhuǎn)矩控制方式是在定子坐標(biāo)系下建立交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,采用磁鏈控制器與轉(zhuǎn)矩控制器分別直接控制電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩,它區(qū)別于復(fù)雜的轉(zhuǎn)子磁鏈

圖2　直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖

定向方式。與模仿直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方式的電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈分解方式比較,直接轉(zhuǎn)矩控制方式對轉(zhuǎn)矩的控制相對簡單且響應(yīng)迅速。直接轉(zhuǎn)矩控制具體實(shí)施方式為：通過定子磁鏈觀測器檢測出電機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)矩和瞬時磁鏈并作為反饋,采用轉(zhuǎn)矩和磁鏈兩位式調(diào)節(jié)器把轉(zhuǎn)矩檢測值和磁鏈值分別與各自的給定值進(jìn)行比較,脈沖優(yōu)化選擇器根據(jù)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和磁鏈調(diào)節(jié)器的輸出結(jié)果來對其內(nèi)部脈沖開關(guān)做出最佳調(diào)節(jié),把轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動限制在規(guī)定的允許誤差范圍內(nèi)[4]。

逆變器接受PLC的信號給定，然后去控制退紙輥電機(jī)，以使電機(jī)達(dá)到相應(yīng)控制目標(biāo)。開始復(fù)卷前，需設(shè)定復(fù)卷過程不同階段的退卷張力值,該值通過操作屏輸入給定,包括：靜張力、引紙張力、運(yùn)行張力等。利用帶有脈沖編碼器的逆變器檢測退紙輥電機(jī)的實(shí)時電流與轉(zhuǎn)速等, PLC讀取這些數(shù)據(jù)并保存。操作屏通過與PLC組態(tài)將這些數(shù)據(jù)顯示在操作屏上。

3硬件選型

3.1原始數(shù)據(jù)

在設(shè)計(jì)復(fù)卷機(jī)退卷張力控制系統(tǒng)前,應(yīng)掌握與該設(shè)計(jì)相關(guān)的基本數(shù)據(jù),包括：退卷紙幅的寬度L、原紙卷的最大直徑dmax、退紙輥直徑dmin、成品紙卷最大直徑Dmax、紙幅單位張力Z、車速(紙幅線速度)v、退卷張力F、紙幅卷徑D及加、減速時間等。

3.2退紙輥電機(jī)選型

復(fù)卷機(jī)主傳動的選型需考慮電機(jī)的調(diào)速范圍、功率、力矩是否滿足要求并實(shí)現(xiàn)性價比最優(yōu)。復(fù)卷過程中,退紙輥上紙幅卷徑變化范圍大會導(dǎo)致退紙輥電機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍大,即要求退紙輥電機(jī)調(diào)速范圍寬。退紙輥電機(jī)傳動功率范圍受所需紙張的退卷張力、退紙輥的轉(zhuǎn)動慣量及電機(jī)加速和減速的影響。對電機(jī)選型時還應(yīng)考慮電機(jī)轉(zhuǎn)矩范圍,即要求電機(jī)轉(zhuǎn)矩在電機(jī)啟動及加速等不同階段時均達(dá)到要求。

3.3硬件配置

完成退紙輥電機(jī)選型后,需對復(fù)卷機(jī)退卷張力控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件配置。選用PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和計(jì)算,采用逆變器控制電機(jī),通過操作屏進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入與實(shí)時數(shù)據(jù)同步顯示,采用現(xiàn)場總線通訊方式等。

復(fù)卷機(jī)穩(wěn)定工作時運(yùn)行在高速、動態(tài)條件下,因此，采用Profibus-DP現(xiàn)場總線的通訊方式以保證系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。操作屏選用西門子鍵控式操作屏OP270,該操作屏帶有DP接口、以太網(wǎng)接口和USB接口,可方便使用鍵盤和鼠標(biāo)對其進(jìn)行操作；在操作屏上寫入的速度與退卷張力預(yù)設(shè)值通過現(xiàn)場總線方式傳輸進(jìn)PLC,PLC將逆變器檢測的退紙輥電流與速度等傳輸?shù)斤@示屏上,方便現(xiàn)場人員觀測。

PLC選用西門子公司的S7-300/400系列,其作為整個退卷張力控制系統(tǒng)的核心,連接操作屏,接受操作屏上的數(shù)據(jù)給定；連接逆變器,給逆變器控制指令,讀取并保存逆變器檢測的電機(jī)狀態(tài)參數(shù)值。PLC最重要功能是完成整個退卷張力控制系統(tǒng)的編程,這

圖3　復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

包括了數(shù)據(jù)給定與處理、前后底輥間的負(fù)荷分配、S形升降速、斷紙檢測等[6]。

3.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

復(fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)采用交流變頻傳動方式,配置公共直流母線結(jié)構(gòu)給3個主傳動逆變器供電。供電單元裝置及逆變單元裝置均選用西門子公司產(chǎn)品。供電單元完成直流供電及將退紙輥電機(jī)制動時產(chǎn)生的能量回饋電網(wǎng)。逆變單元裝置主要控制方式為直接轉(zhuǎn)矩控制。復(fù)卷機(jī)穩(wěn)定工作時,控制退紙輥的逆變器處于整流工作狀態(tài),將退紙輥電機(jī)制動產(chǎn)生的能量回饋到直流母線上,此時若控制前后底輥的逆變器處于逆變工作狀態(tài),可從直流母線上獲取電能。采用公共直流母線結(jié)構(gòu)的交流傳動方式可將原本需通過能耗制動裝置消耗的電能用于驅(qū)動其他電機(jī)或回饋到電網(wǎng),有效抑制了過流和過壓故障的發(fā)生,同時節(jié)約能量、提高復(fù)卷機(jī)運(yùn)行效率。

退卷張力控制系統(tǒng)的控制方式采用三級控制(見圖3),執(zhí)行單元為西門子6SE70逆變器；PLC作為控制核心,此外，需選用ET200起到對遠(yuǎn)程I/O的控制(用于圓刀等傳動設(shè)備)；上位機(jī)為OP270操作屏，其可作為人機(jī)界面。PLC、逆變器及OP270操作屏等通過PROFIBUS-DP通訊方式構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)[7]。

4軟件設(shè)計(jì)

4.1編程思路

PLC需通過編程以實(shí)現(xiàn)由數(shù)據(jù)給定到控制實(shí)現(xiàn)：操作屏上輸入的數(shù)值經(jīng)過一系列過程成為確定的退紙輥電機(jī)參數(shù)值,如制動電流、轉(zhuǎn)矩等。

編程采用軟件模塊化編程的方式，該編程便于修改,普適性強(qiáng)。編程軟件為Step7,編程時需編寫功能程序,確定數(shù)據(jù)存儲位置,預(yù)設(shè)部分參數(shù)值并規(guī)定數(shù)據(jù)調(diào)用方式。退卷張力控制系統(tǒng)運(yùn)行時,執(zhí)行的主循環(huán)中調(diào)用功能塊和數(shù)據(jù)塊,以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制；每個功能塊對應(yīng)退卷張力控制過程需求的不同功能,共同實(shí)現(xiàn)對退卷張力的控制[8]。

退卷張力控制的流程圖見圖4。其中，數(shù)據(jù)處理是控制流程的核心,包括退卷張力限幅功能、尺度變換功能及控制算法等。數(shù)據(jù)處理的結(jié)果作為逆變器的控制指令信號,使逆變器控制退紙輥電機(jī),達(dá)到復(fù)卷要求。軟件編程步驟如下：

圖4　退卷張力控制流程圖

(1)編程實(shí)現(xiàn)對給定的特定工況下的退卷張力進(jìn)行濾波,運(yùn)行張力需要濾波,而靜張力不需要濾波。

(2)編寫張力斜坡程序,使退卷張力曲線平滑。為避免復(fù)卷過程中的急停等突發(fā)情況,要在操作屏上顯示加減速時間,以隨時對加減速時間進(jìn)行設(shè)定與調(diào)節(jié)。編寫退紙輥電機(jī)轉(zhuǎn)矩動態(tài)補(bǔ)償程序,滿足加速或減速情況下退紙輥電機(jī)轉(zhuǎn)矩的要求。

(3)編程實(shí)現(xiàn)對退卷張力進(jìn)行限幅,根據(jù)特定工控下的紙幅卷徑,確定退紙輥電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩,使退卷張力符合規(guī)定的要求。

(4)通過組態(tài)方式使操作屏顯示紙幅卷徑。

(5)若復(fù)卷現(xiàn)場安裝有張力傳感器,主程序中需調(diào)用PID功能模塊并對其參數(shù)賦值,以實(shí)現(xiàn)直接張力控制,或直接與間接張力控制相結(jié)合。

尺度變換功能模塊的作用是使寫入的數(shù)據(jù)能夠讓調(diào)速裝置接受。速度給定模塊的功能是使操作屏上給定的速度能夠傳給逆變器。速度給定模塊功能應(yīng)包括對電機(jī)速度進(jìn)行限幅與校正,并預(yù)設(shè)不同工況下的速度參考值,如引紙速度為15 r/min；調(diào)速裝置內(nèi)部若沒有集成積分器或S形函數(shù),則電機(jī)轉(zhuǎn)速上升或下降不平滑,需編寫S形曲線速度給定程序。

對現(xiàn)場邏輯開關(guān)的處理至關(guān)重要,邏輯控制功能塊可使操作按鈕與機(jī)器對應(yīng)的操作相匹配。現(xiàn)場設(shè)立的單動/聯(lián)動、運(yùn)行、急停等操作按鈕可方便工作人員操作。編程處理好現(xiàn)場邏輯關(guān)系是復(fù)卷機(jī)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。

4.2軟件組態(tài)

使用Step7編程時,必須選定通訊方式,確定PLC的具體型號以及連接的調(diào)速裝置等。此外,操作屏需與PLC進(jìn)行組態(tài),采用Wincc Flexible軟件對顯示畫面進(jìn)行編程,進(jìn)入編輯界面后,選擇Step7編程軟件與之組態(tài)。操作屏與PLC建立連接后,可通過Wincc Flexible軟件給變量賦值,建立描述畫面等。需要注意的是,操作屏與PLC建立連接后,畫面編程軟件中的變量地址需與PLC中該變量地址一致。

5結(jié)束語

作為交流傳動方式下的復(fù)卷機(jī)退卷張力自動控制系統(tǒng),其優(yōu)勢體現(xiàn)在編程靈活、運(yùn)行快速可靠,展現(xiàn)出高動態(tài)、高精度的調(diào)速特性。觸摸屏作為人性化的操作界面,具有操作方便、高效實(shí)用的特點(diǎn),使復(fù)卷機(jī)工作時的運(yùn)行狀況一目了然。該系統(tǒng)運(yùn)用于高速復(fù)卷機(jī)的復(fù)卷過程,能夠有效節(jié)約能量,提高運(yùn)行效率。

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(責(zé)任編輯：陳麗卿)

Design of Unwinding Tension Auto-control System of Rewinder

GAO Guang-di*KANG Jia-yu

(CollegeofElectrical&InformationEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021) (*E-mail: ggd0310@163.com)

Abstract：Aiming to the widely used AC drive mode, based on the analysis of the effect of unwinding web tension on the paper quality and reasonable selection of control scheme, the design of hardware and software for the rewinder unwinding web tension control system was presented. The hardware part was able to rationally control the flow of energy to achieve energy savings thanks to the use of a common DC bus structure; modular programming was used for the back roller control which was with universal property. The system could be used in practice very well, it could also be applied to various unwinding web tension control with appropriate modification.

Keywords：rewinding machine； unwinding tension； AC drive； common DC bus

中圖分類號：TS734+.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000- 6842(2016)01- 0052- 05

作者簡介：高光荻,男,1990年生；在讀碩士研究生,主要研究方向：復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)。

收稿日期：2015- 05- 01

E-mail:ggd0310@163.com