陳保勝，舒 航

(杭州電子科技大學(xué)信息工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，浙江 杭州 310000)

0 引言

帶材收放卷機構(gòu)在紡織工業(yè)、印刷工業(yè)中起到越來越重要的作用。保證帶材收放卷機構(gòu)質(zhì)量的關(guān)鍵是帶材收放卷機構(gòu)的張力控制。張力控制在我國很多行業(yè)(紡織行業(yè)、印刷行業(yè)、軋鋼行業(yè))中都起到很重要的作用[1]。但是帶材收放卷在運行過程中隨收放卷半徑的變化，帶材張力會變化，如果張力控制不好的話，就會對產(chǎn)品質(zhì)量造成影響[2-5]。目前，我們國家的張力控制設(shè)備主要通過從國外進口，不僅價格非常高，而且尖端技術(shù)被國外市場所壟斷。因此我國自主研發(fā)收放卷設(shè)備顯得尤為重要[3]。

因此，為了提高帶材產(chǎn)品的質(zhì)量，本設(shè)計使用PID控制算法，設(shè)計了帶材收放卷張力控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效地改善帶材收放卷的動靜態(tài)，只要設(shè)定了正確的參數(shù)，科學(xué)的操作技術(shù)，就可以控制恒張力。

1 張力控制系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 張力控制系統(tǒng)方案設(shè)計

帶材收放卷在運行過程中隨收放卷半徑的變化，帶材張力會變化，要正常運行，帶材張力需要在一個穩(wěn)定值。帶材收放卷張力控制系統(tǒng)是基于區(qū)分材料的材質(zhì)而設(shè)計的，以可編程邏輯控制器為中央處理器，主要實現(xiàn)張力的恒定控制。向PLC發(fā)送預(yù)設(shè)張力信號，PLC將張力傳感器實時反饋的實際張力值與預(yù)設(shè)的張力值進行對比[4]，然后運用PID控制算法，再次輸出控制直流電機，以此組成閉環(huán)回路，得到實際的張力值與預(yù)設(shè)張力值基本相等。

整個系統(tǒng)由控制器、直流電機驅(qū)動器、直流電機、觸摸屏和檢測模塊組成的閉環(huán)電路組成，如圖1所示。首先，控制器根據(jù)觸摸屏的預(yù)設(shè)張力信號向電機驅(qū)動器發(fā)送驅(qū)動信號。其次，直流電機驅(qū)動器將控制電流傳遞到直流電機，直流電機開始轉(zhuǎn)動，進而使帶材收放卷機構(gòu)卷軸旋轉(zhuǎn)，因此，隨著時間的推移，帶材收放卷半徑逐漸增大，張力也跟著變化；最后，通過張力傳感器的張力測試，將張力信號通過壓力變送器送回控制器。整個系統(tǒng)中，觸摸屏可設(shè)定帶材收放卷機構(gòu)的預(yù)設(shè)張力，以及呈現(xiàn)帶材收放卷機構(gòu)的運動形態(tài)。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖

1.2 張力控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

帶材張力T的表達(dá)式為[5]：

(1)

式中，S為帶材橫截面的面積，E為彈性模量，V1、V2分別是帶材放卷和收卷的線速度。

通過對帶材張力的分析可知，要想控制帶材張力，必須控制帶材收放卷張力控制系統(tǒng)放卷和收卷的線速度。當(dāng)放卷和收卷兩端差值達(dá)到動態(tài)平衡時，放卷和收卷兩端線速度差保持不變，即帶材張力不變[6]。

圖2 放卷張力分析圖

本設(shè)計選擇放卷軸附近的點，根據(jù)放卷軸動態(tài)力矩的平衡關(guān)系，來分析整個張力恒定控制過程中帶材張力的變化。如圖2所示。

建立放卷過程動力學(xué)模型[6，9-11]：

(2)

式中，T為帶材所受張力，R為帶材卷半徑，R0為帶材卷軸半徑，b為帶材卷的寬度，ω為帶材角速度，Bf為阻尼系數(shù)，V1為線速度，h為帶材厚度。J為帶材卷及帶材卷軸總的轉(zhuǎn)動慣量，J0為帶材輥的轉(zhuǎn)動慣量，TR為帶材中張力形成的拖動轉(zhuǎn)矩，M1為帶材卷軸形成的制動轉(zhuǎn)矩，J1為帶材卷的轉(zhuǎn)動慣量。

2 張力控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)是帶材收放卷機構(gòu)可以準(zhǔn)確運行的基礎(chǔ)。硬件設(shè)計包括器件選型和電氣原理圖的繪制。

檢測部件：1)張力傳感器，其作用是將帶材的壓力信號(非電量)轉(zhuǎn)換成電壓或者電流信號(電量)。2)張力變送器，其作用：就是將張力傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)信號進行輸出[6]。

驅(qū)動部件：1)直流無刷電機，作用是驅(qū)動執(zhí)行構(gòu)件完成帶材收放卷張力控制系統(tǒng)的要求。2)直流無刷電機驅(qū)動器，作用是驅(qū)動直流無刷電機，并實現(xiàn)其變速功能。

控制部件：控制部件作為帶材收放卷張力控制系統(tǒng)，其性能和控制精度影響系統(tǒng)的特性，為此應(yīng)選擇相應(yīng)速度快、反應(yīng)靈敏的控制部件。

上位機：上位機是直接向控制器發(fā)送指令的設(shè)備，本設(shè)計采用觸摸屏作為帶材收放卷張力控制系統(tǒng)的上位機。

電氣原理圖：電氣原理圖是電氣控制線路的表示方法之一，為了研究和分析帶材收放卷張力控制系統(tǒng)電路的工作原理，現(xiàn)設(shè)計電氣原理圖，如圖3所示。

張力傳感器分布于收放卷的兩側(cè)，壓力變送器將兩側(cè)張力傳感器的信號進行轉(zhuǎn)換和放大，轉(zhuǎn)換成0～10 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號。變送器向PLC中輸入標(biāo)準(zhǔn)電壓信號[4]。直流無刷電機控制器接收PLC輸出的0～10 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，然后將次信號進行放大輸出控制直流無刷電機。PLC接收變送器的0～10 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，然后向直流無刷電機控制器發(fā)送0～10 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，這樣構(gòu)成一個閉環(huán)回路。運用PID的控制算法，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)收放卷的轉(zhuǎn)速使帶材張力到目標(biāo)值[5]。

圖3 電氣原理圖

3 張力控制系統(tǒng)軟件設(shè)計及仿真

3.1 程序設(shè)計流程

為保證帶材收放卷張力控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行，現(xiàn)設(shè)計控制系統(tǒng)的軟件部分。

由于采用順序功能圖法對帶材收放卷張力控制系統(tǒng)進行編程，所以編程前首先確認(rèn)流程。根據(jù)工藝流程圖，如圖4所示，開機后控制器首先進行自診斷，如果出現(xiàn)故障，控制器立即停止并報警。程序開始后，檢查外部設(shè)備是否有故障，若有故障立即停止并報警。沒有故障時，判斷是自動運行還是手動調(diào)試。若是手動調(diào)試，則進入手動調(diào)試模式；若是自動運行模式，則進入自動運行子程序(圖5)。最后判斷系統(tǒng)是否結(jié)束。

圖4 主程序流程圖 圖5 自動運行子程序流程圖

本設(shè)計通過PID算法控制輸出量，首先輸入張力給定初值，張力給定初值與張力傳感器實時反饋的張力實際值作對比，得到偏值；根據(jù)偏值，運用PID算法得到控制量，然后驅(qū)動直流電機，最后得到理想的壓力值。調(diào)節(jié)過程如圖6所示。

圖6 PID調(diào)節(jié)過程

3.2 人機界面設(shè)計

圖7 人機界面圖

本控制系統(tǒng)使用WINCC Flexible作為組態(tài)軟件，進行人機界面設(shè)計[6-7]。用戶不僅可以隨時監(jiān)視運行狀態(tài)，還可以修改運行參數(shù)。人機界面的操作菜單如圖 7 所示。

3.3 I/O地址分配

控制器選擇的是型號為CPU 314C-2 DP的西門子S7-300的PLC，因此編程軟件使用step 7 V5.5。由帶材收放卷張力控制系統(tǒng)分析可知，系統(tǒng)需要對張力傳感器的壓力信號進行采集，同時向直流電機驅(qū)動器發(fā)送直流電機的轉(zhuǎn)速信號。I/O地址分配如表1所示。

表1 I/O分配表

3.4 系統(tǒng)模擬仿真

本模擬使用的仿真軟件為Matlab R2013b。本設(shè)計的張力控制系統(tǒng)仿真由：等效制動器模型、張力控制仿真模型、PID控制模型等三部分組成[8-9]。圖8為帶材張力控制系統(tǒng)仿真模型[6]。圖9為帶材張力控制系統(tǒng)PID控制模塊圖。圖10為帶材張力控制系統(tǒng)等效制動器模型。

圖8 帶材張力控制系統(tǒng)仿真模型圖

圖9 帶材張力控制系統(tǒng)PID控制模塊圖

圖10 帶等效制動器模型圖

在式(2)中，帶材卷軸半徑(R0)、帶材卷的寬度(b)、阻尼系數(shù)(Bf)、線速度(V1)、帶材厚度(h)、帶材卷軸轉(zhuǎn)動慣量(J0)、等參數(shù)都是常量，具體數(shù)值如表2所示。

表2 參數(shù)表

設(shè)線速度為10 m/min，即紙卷半徑為0.25 m，張力設(shè)定值為80 N。經(jīng)初步估算得知，當(dāng)Kp=0.4，Ki=0.3，Kd=0.005，張力曲線相對穩(wěn)定[6]。

張力模擬曲線，如圖11所示。

圖11 張力模擬曲線圖

4 結(jié)論

本研究在分析帶材收放卷保持張力方法的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種基于PLC的帶材收放卷張力控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)對帶材收放卷方便準(zhǔn)確的恒張力控制。

以PLC為控制核心，采用WINCC Flexible作為組態(tài)軟件，操作方便快捷。使用PID控制算法，適應(yīng)性好，可使帶材收放卷張力控制系統(tǒng)更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定、快速。對張力控制系統(tǒng)進行了數(shù)學(xué)建模并對其進行了仿真，設(shè)計了系統(tǒng)的硬件和軟件，提高了系統(tǒng)的自動化程度和可靠性。