潘頌哲 潘玉軍 吳江壽 張明亮

摘要：針對分切機(jī)張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理、張力控制精度低等問題，提出了3種基于PLC的高速分切機(jī)張力控制系統(tǒng)，即磁粉控制系統(tǒng)、氣動(dòng)控制系統(tǒng)及伺服控制系統(tǒng)，并通過分析各類控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)張力控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：分切機(jī);磁粉控制系統(tǒng);氣動(dòng)控制系統(tǒng);伺服控制系統(tǒng)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，包裝行業(yè)迅速興起，并展現(xiàn)出了巨大的市場潛力。對于軟包裝行業(yè)來說，其原材料離不開紙張、膠帶、薄膜等產(chǎn)品[1]，而分切機(jī)作為這些原材料的重要加工設(shè)備，受到了市場的廣泛重視。為了滿足市場對不同材料的分切需求，提高產(chǎn)品分切的質(zhì)量和分切效率，許多分切機(jī)生產(chǎn)企業(yè)不斷改進(jìn)設(shè)備性能，提高設(shè)備自動(dòng)化程度，從而節(jié)省勞動(dòng)力[2]。但就目前來說，這類設(shè)備仍然存在張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理、張力控制精度低、產(chǎn)品收卷質(zhì)量差等問題[3]，限制了分切機(jī)的整體速度。選擇不合理的張力控制系統(tǒng)方案，也會(huì)制約設(shè)備的生產(chǎn)效率，影響設(shè)備的整體競爭力。

針對上述問題，筆者了提出了3種基于PLC的高速分切機(jī)張力控制系統(tǒng)，通過不同的張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，滿足不同層次、差異化的設(shè)備需求。

1 磁粉控制系統(tǒng)

磁粉控制系統(tǒng)主要由磁粉控制器、張力板控制板配合變頻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。磁粉控制器主要包括磁粉制動(dòng)器和磁粉離合器。磁粉制動(dòng)器用于放卷張力控制，磁粉離合器用于收卷張力控制。磁粉控制器是根據(jù)電磁原理并利用磁粉傳遞轉(zhuǎn)矩的，PLC通過模擬量輸出0～10 V信號，控制磁粉的張力輸出。此外，收卷軸的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過變頻系統(tǒng)速度控制實(shí)現(xiàn)的。變頻系統(tǒng)包括變頻器和變頻電機(jī)，PLC通過模擬量輸出0～10 V的速度信號，控制收卷軸的速度。磁粉控制系統(tǒng)控制原理如圖1所示。

磁粉控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、無污染、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)[4]。其缺點(diǎn)也比較明顯，磁粉輸入的激磁電流與輸出的轉(zhuǎn)矩正比例線性關(guān)系較差，雖能滿足大部分中低端材料的分切需求，但是對于高端的開環(huán)控制的設(shè)備，磁粉控制系統(tǒng)效果一般。就目前而言，磁粉控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于氣脹軸的張力控制。

2 氣動(dòng)控制系統(tǒng)

氣動(dòng)控制系統(tǒng)主要針對以滑差式氣脹軸為核心、變頻系統(tǒng)為動(dòng)力的收卷張力控制系統(tǒng)和以氣剎盤為核心的放卷張力控制系統(tǒng)。

滑差式氣脹軸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有特殊的功能，使用空氣的方法來使滑差軸運(yùn)動(dòng)起來，滑差軸適用的產(chǎn)品范圍較廣，對于厚、薄、寬、窄的各種產(chǎn)品都適合使用[5]。滑差軸主要用于分切產(chǎn)品質(zhì)量要求比較高、速度比較快的分切設(shè)備，且滑差軸特殊分段、獨(dú)立打滑及扭力設(shè)定結(jié)構(gòu)，能較好地解決材料因厚薄及張力不均造成的脫卷現(xiàn)象，從而提升產(chǎn)品的分切品質(zhì)。氣剎盤能提供極大的扭矩張力，主要用于大卷徑、寬材料的放料。無論是滑差軸張力控制或氣剎盤張力控制，其控制的流程基本一致，即通過PLC輸出0～10 V模擬信號，控制電控比例閥輸出對應(yīng)的氣壓給滑差軸或氣剎盤，從而完成相應(yīng)的張力控制。收卷軸的變頻系統(tǒng)控制方式與磁粉控制系統(tǒng)的變頻控制模式一致，即PLC通過模擬量輸出0～10 V的速度信號，控制收卷軸的速度。氣動(dòng)控制系統(tǒng)控制流程如圖2所示。

氣動(dòng)控制系統(tǒng)適用范圍廣，分切質(zhì)量高、速度快，可解決分切材料因厚薄及張力不均造成的脫卷現(xiàn)象。但是其整體價(jià)格較高，對于低端分切市場來說，競爭力一般，廣泛適用于中高端的分切市場。

3 伺服控制系統(tǒng)

全伺服控制系統(tǒng)是目前分切機(jī)張力控制系統(tǒng)中性能最好、精度最高的系統(tǒng)。伺服控制系統(tǒng)控制簡單，在轉(zhuǎn)矩模式下，不需要對收放卷速度進(jìn)行精確控制，只需要給出相應(yīng)的速度限制以及對應(yīng)的扭矩輸出即可完成相應(yīng)的張力控制，即通過PLC輸出兩路模擬量信號，一路用于伺服速度限制，其速度要大于設(shè)備正常運(yùn)行的線速度，另一路用于張力控制，即可完成分切系統(tǒng)的張力控制。

全伺服控制系統(tǒng)控制張力控制精度高，響應(yīng)快，但是與其他系統(tǒng)相比，價(jià)格昂貴。在一般的中低端生產(chǎn)線上，很少用全伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)張力控制。

4 張力控制算法

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，以中心收卷方式為例，隨著收卷長度的變化，收卷直徑也會(huì)不斷變化，如收卷軸直徑逐漸變大，而放卷軸逐漸減小。卷徑的變化會(huì)引起收卷或放卷角度及以角速度的變化，從而影響張力的控制。因此在收放卷過程中，選擇合適的張力控制算法尤為重要。傳統(tǒng)的張力控制模式分為兩種，一種是開環(huán)控制，另一種是閉環(huán)控制。

開環(huán)控制模式對張力控制算法的要求較高，需要通過一定的補(bǔ)償機(jī)制，才能確保不同材料、不同寬度、不同卷徑下的張力穩(wěn)定性。一般來說，開環(huán)控制精度相對較差，可以滿足絕大部分中低端材料的生產(chǎn)需求。通過大量實(shí)驗(yàn)，本文提出了一種精度相對較高、適用性較強(qiáng)的開環(huán)控制算法，其計(jì)算公式如下[6]：

式中：N為實(shí)時(shí)張力輸出（N）;N0為初始設(shè)定張力（N）;W為材料寬度（mm）;D為實(shí)時(shí)卷徑（mm）;K為張力-半徑曲線系數(shù)（%）。

K值是根據(jù)實(shí)際測試效果設(shè)定的，即在不同的材料下，通過試運(yùn)行分切，根據(jù)材料的實(shí)際收卷效果，設(shè)置不同卷徑下的張力系數(shù)輸出值，從而使張力控制更穩(wěn)定，其曲線系數(shù)設(shè)置如圖3所示。

針對材料的多樣性和操作的便捷性，設(shè)置多組曲線參數(shù)，操作人員可以根據(jù)設(shè)置好的曲線，完成對應(yīng)材料或相似材料的張力控制。

5 結(jié)語

分切機(jī)的張力控制系統(tǒng)配置多樣，可通過不同的搭配設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)性能和效益最大化。除了上述3種張力控制系統(tǒng)以外，還可以通過收卷滑差軸加放卷磁粉制動(dòng)器、收卷伺服電機(jī)加氣剎盤等組合，實(shí)現(xiàn)分切設(shè)備張力控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 廖黎莉，芮曉光，王傳洋，等.基于智能算法的高速噴氣織機(jī)恒張力控制技術(shù)的研究[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2020，33（5）：115-118.

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[4] 高云澤，許號永，張華杰，等.一種控制卷繞壓輥張力的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2019，48（11）：49-51.

[5] 谷向磊，黃長清，蔡央，等.基于PID控制器的鋁熱連軋張力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2019，38（2）：133-136.

[6] 潘頌哲，鄭巧美，邊立健，等.基于PLC的高速分切機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研制[J].南方農(nóng)機(jī)，2020，51（8）：143-144.

收稿日期：2020-07-28

作者簡介：潘頌哲（1989—），男，浙江溫州人，碩士研究生，助教，主要從事分切機(jī)、水鉆機(jī)、模切機(jī)等PLC控制系統(tǒng)研發(fā)工作。