Lenze伺服控制器在復(fù)卷分切機(jī)中的應(yīng)用

馮建修

（陜西華特玻璃纖維有限公司技術(shù)中心，陜西興平713100）

1 引言

玻璃纖維濕法薄氈生產(chǎn)中，復(fù)卷分切是生產(chǎn)過程中的后道工序，它主要用于對(duì)氈卷的外觀質(zhì)量進(jìn)行抽查和檢驗(yàn)，剔除原氈卷中質(zhì)量不合格或有缺陷的部分；對(duì)于生產(chǎn)中未能卷齊的氈卷進(jìn)行復(fù)卷齊邊。同時(shí)還可對(duì)產(chǎn)品分幅、定匹長(zhǎng)分切，采用熱對(duì)接方式，實(shí)現(xiàn)小卷拼大卷，以滿足用戶的不同需求。

圖1 復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)示意圖

2 復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)

復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)由牽引輥恒速控制系統(tǒng)、收卷張力控制系統(tǒng)、開卷控制系統(tǒng)以及PLC、控制臺(tái)等部分組成，其控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

2.1 牽引輥恒速控制系統(tǒng)

牽引輥恒速傳動(dòng)控制系統(tǒng)由一對(duì)覆蓋橡膠或粘貼有砂紙的牽引輥、伺服控制器FC1（EVS9326-ES）、牽引變頻電動(dòng)機(jī)M1、牽引減速機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器S（Resolver）、速度電位器R1等組成。牽引輥的線速度是復(fù)卷機(jī)主令速度即車速，要求設(shè)定后保持恒定。牽引輥和氈材之間不能打滑，牽引輥應(yīng)有足夠的牽引力，以保證其對(duì)薄氈施加足夠牽引力和克服縱向分切刀、計(jì)量輪（起逆轉(zhuǎn)作用）的反向力矩。在牽引輥直徑、減速機(jī)減速比確定后，牽引電動(dòng)機(jī)M1的轉(zhuǎn)速就與牽引輥線速度成固定的比例關(guān)系。

2.2 收卷軸張力控制系統(tǒng)

收卷軸張力控制系統(tǒng)由收卷軸、伺服控制器FC2（EVS9326-ES）、收卷電動(dòng)機(jī) M2、減速機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器S（Resolver）、張力設(shè)定電位器R2及錐度設(shè)定電位器R3等組成。本系統(tǒng)采用間接張力控制方案，不需要張力傳感器，由收卷伺服驅(qū)動(dòng)器計(jì)算出卷徑，根據(jù)卷徑計(jì)算出所需的轉(zhuǎn)矩，從而間接控制薄氈表面張力，此方案成本較低，由于采用了高性能矢量伺服控制器，可以獲得較高的張力控制精度。只要設(shè)定好產(chǎn)品的收卷張力、錐度及卷繞速度就可以達(dá)到滿意的收卷效果。

2.3 開卷控制系統(tǒng)

開卷控制系統(tǒng)由開卷軸、伺服控制器FC3（EVS9323-ES）、開卷電機(jī)M3、減速機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器S（Resolver）、氣動(dòng)剎車（Brake）裝置和聯(lián)軸（Coupling）機(jī)構(gòu)等組成。開卷過程采用氣動(dòng)剎車方式給開卷軸施加負(fù)荷，使氈幅上產(chǎn)生張力，保證開卷恒張力。該系統(tǒng)裝有“返回／向前”開關(guān)，以滿足復(fù)卷機(jī)向前卷繞或者返回卷繞功能。剎車和聯(lián)軸效果通過調(diào)整壓縮空氣壓力大小得以滿足，一般壓力為2bar左右，當(dāng)卷繞方向改變時(shí)，剎車和聯(lián)軸各自開關(guān)應(yīng)放在正確的位置。

2.4 PLC 和控制臺(tái)

系統(tǒng)由S7-313 PLC控制，通過控制臺(tái)設(shè)定卷繞張力F、張力系數(shù)（錐度）HW和卷繞速度v以保證滿意的卷繞效果。卷繞控制過程的實(shí)現(xiàn)在控制器內(nèi)部完成，PLC僅作復(fù)卷過程的邏輯控制。機(jī)器收卷端裝有電動(dòng)糾偏裝置，以保證卷材邊緣整齊。通過操作員面板計(jì)米控制器可以設(shè)定匹長(zhǎng)，定長(zhǎng)停車。另外機(jī)器上還裝有產(chǎn)品檢驗(yàn)燈箱和加熱對(duì)接裝置。

3 收卷控制過程的實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總線CAN bus控制

系統(tǒng)中牽引輥控制器FC1和卷繞軸控制器FC2均采用高精度的伺服控制器，型號(hào)均為EVS9326-ES，該控制器內(nèi)部集成CAN總線接口X4，X4／GND為CAN總線參考電位；CANLO為CAN總線I／O低電位端；CAN HI為CAN總線 I／O高電位端。CAN總線采用專用雙絞屏蔽電纜將兩臺(tái)9326控制器的X4端子對(duì)應(yīng)依次連接，并在控制器FC1和FC2的X4之LO和HI端子各接入120Ω終端電阻，該阻值等于信號(hào)線的特性阻抗值，如果阻抗不匹配，有可能降低數(shù)據(jù)的有效傳輸。

為了實(shí)現(xiàn)控制器FC1和FC2間信號(hào)傳輸，需要對(duì)控制器FC1和FC2進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，CAN總線地址設(shè)置，CAN-IN2／OUT2地址設(shè)置如下：

由此可知：控制器FC1的CAN輸入是控制器FC2的CAN輸出，控制器FC1的CAN輸出是控制器FC2的CAN輸入；同樣，控制器FC2的CAN輸入是控制器FC1的CAN輸出，控制器FC2的CAN輸出是控制器FC1的CAN輸入。控制器FC1＋FC2 CAN總線信號(hào)圖如圖2所示。

事件觸發(fā)的循環(huán)過程數(shù)據(jù)信道CAN-IN2、CAN-OUT2是9326伺服控制器的內(nèi)部功能塊，CAN-IN2在一定條件下可以接收來自另一控制器CAN-OUT2發(fā)出的數(shù)據(jù)，收發(fā)均為8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，其中1、2、3、4字節(jié)可用于32位二進(jìn)制信號(hào)或兩個(gè)準(zhǔn)模擬信號(hào)或一個(gè)32位雙字相位信號(hào)。此處FC2的輸入CAN-IN2是FC1的輸出CAN-OUT2，F(xiàn)C2：CAN-IN2.W1 為牽引輥速度，CAN-IN2.W2 為卷徑比，CAN-IN2.W3 為卷繞直徑，CAN-IN2.W4 為轉(zhuǎn)矩定額值補(bǔ)償。FC1的輸入CAN-IN2是FC2的輸出 CAN-OUT2，F(xiàn)C1：CAN-IN2.W1 為卷繞轉(zhuǎn) 速，CAN-IN2.W2 為卷繞力矩定額值，CAN-IN2.W3 為卷繞直徑補(bǔ)償。經(jīng)過信號(hào)流圖中的信號(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理從而實(shí)現(xiàn)復(fù)卷過程變轉(zhuǎn)矩錐度張力控制。

圖2 控制器FC1＋FC2 CAN總線信號(hào)流圖

圖2中，控制器FC1的速度給定信號(hào)X6／1、2來自于控制操作臺(tái)面板上的速度電位器，復(fù)卷中可根據(jù)產(chǎn)品工藝要求通過電位器R1設(shè)定?？刂破鱂C2的張力設(shè)定信號(hào)和錐度設(shè)定信號(hào)也分別來自控制操作臺(tái)面板各自的電位器。該信號(hào)是一個(gè)十進(jìn)制表示的準(zhǔn)模擬信號(hào)，單位為“%”，即機(jī)器速度是用以100m／min為100%進(jìn)行折算的百分?jǐn)?shù)，并根據(jù)信號(hào)流圖運(yùn)算的需要冠以負(fù)號(hào)，如-60%即表示速度為60m／min。各變頻器的CAN-IN2.W1和CAN-OUT2.W1 信號(hào)也和 X6／1、2 信號(hào)相同，但均為正十進(jìn)制百分?jǐn)?shù)。

3.2 信號(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理

對(duì)牽引輥伺服控制器FC1而言，內(nèi)部電機(jī)控制功能塊MCTRL的輸出信號(hào)MCTRL-PHI-ACT為電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速（rpm），即反饋速度。CAN-IN2.W1為收卷軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速（rpm），兩者分別作為功能塊ARIT1的輸入端IN1和IN2，經(jīng)過運(yùn)算后得到卷繞直徑：d＝牽引輥電機(jī)轉(zhuǎn)速／收卷軸電機(jī)轉(zhuǎn)速×dmin［%］／100

對(duì)收卷伺服控制器FC2而言 ，CAN-IN2.W2為卷繞直徑比 y，y＝收卷轉(zhuǎn)速／dmin-1，它是功能塊ARIT1的輸入端IN1，ARIT1 輸入端IN2為錐度（HW），經(jīng)過算術(shù)運(yùn)算后得a＝HW·y；再通過ADD1加法運(yùn)算結(jié)果為a＋1。收卷控制器轉(zhuǎn)矩指令M＝M0（a＋1）

由關(guān)系式（1）和（2）得知：

收卷控制器張力指令

其中：M0＝F0·dmin

M0：起始轉(zhuǎn)矩；M：轉(zhuǎn)矩過程值；HW：錐度；dmin：最小卷徑；d：實(shí)際卷徑；F0：設(shè)定張力；F：張力過程值

由式（1）和（3）得出，轉(zhuǎn)矩M和張力F是直徑d的一次函數(shù)，即M＝f（d），F(xiàn)＝f（d），理論上收卷過程按照上述變轉(zhuǎn)矩錐度張力控制。

本裝置采用開環(huán)張力控制，實(shí)際張力通過伺服控制器內(nèi)部檢測(cè)和計(jì)算來獲取，從而省去了張力檢測(cè)裝置，降低了系統(tǒng)的成本和難度。

4 卷繞特性分析

對(duì)復(fù)卷分切機(jī)而言，要保證復(fù)卷后氈卷達(dá)到理想的復(fù)卷效果，其中收卷過程張力控制尤為重要，張力控制的好壞直接影響產(chǎn)品復(fù)卷質(zhì)量。多數(shù)情況下，要求收卷過程中張力保持恒定。但是，對(duì)于玻璃纖維濕法薄氈而言，要求卷繞過程中內(nèi)緊外松，即采用漸減（錐度）張力控制，要求從空軸到滿軸卷繞過程中，氈幅張力隨著卷繞直徑增大而逐漸減小，其錐度值要符合工藝要求。變轉(zhuǎn)矩錐度張力控制模式的轉(zhuǎn)矩-直徑曲線和張力-直徑曲線如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)矩-直徑曲線及張力-直徑曲線圖

從圖3可以看出，收卷控制為變轉(zhuǎn)矩變張力控制，也就是說隨著直徑的增大和錐度設(shè)定的不同，轉(zhuǎn)矩都在增大，而張力變化卻不同。

錐度系數(shù)HW＝100%恒張力卷繞；HW≤100%錐度張力（漸減張力）卷繞；HW＞100%遞增張力卷繞。

當(dāng)錐度系數(shù)HW設(shè)定后，卷繞轉(zhuǎn)矩是沿著不同錐度值的直線遞增，而卷繞過程張力的變化過程是曲線遞減或遞增。例如當(dāng)錐度系數(shù)HW設(shè)定100%，張力衰減意味著超過直徑時(shí)張力不下降即恒張力；當(dāng)錐度系數(shù)HW設(shè)定70%，卷繞到最大直徑時(shí)，最終卷繞張力比設(shè)定張力下降30%，也就是到達(dá)最大直徑時(shí)的保留張力是設(shè)定張力的70%；HW設(shè)定0%時(shí)最大直徑時(shí)卷繞張力降低為0；當(dāng)錐度系數(shù)HW設(shè)定130%時(shí)，張力遞增變化。

收卷伺服控制器內(nèi)部設(shè)有轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能，以消除因半徑等條件變化對(duì)張力產(chǎn)生的干擾。即在不同的操作條件下，如大、小卷啟動(dòng)的瞬間、加、減速、停車重啟等情況下要進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，這樣就能使得收卷的整個(gè)過程張力穩(wěn)定，避免張力過大過小現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

復(fù)卷分切機(jī)主要傳動(dòng)點(diǎn)是收卷輥和牽引輥，要達(dá)到復(fù)卷后薄氈氈卷內(nèi)緊外松、端面平齊的最佳效果，必須滿足產(chǎn)品收卷張力特性要求。本系統(tǒng)功能完備，操作簡(jiǎn)單，具有收卷伺服控制器卷徑自動(dòng)計(jì)算、開卷制動(dòng)調(diào)節(jié)、收卷張力控制、自動(dòng)齊邊和熱對(duì)接等多種功能。機(jī)器響應(yīng)時(shí)間短、速度偏置小，較好地實(shí)現(xiàn)了收卷漸減張力控制，不論是加／減速還是停車重啟等均能達(dá)張力的平穩(wěn)衰減。復(fù)卷后的氈卷緊實(shí)，端面平齊，確保同匹長(zhǎng)產(chǎn)品復(fù)卷卷徑的一致性，完全滿足不同規(guī)格品種的復(fù)卷要求。

［1］楊公源.常用控制器應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［2］張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.