處理線張力控制概述

蔣曉亮　何勤國　陳武勤

摘要：工業自動化控制系統中張力控制是一個很重要也很普遍的控制環節，針對不同的工藝要求及設備要求有不同的張力控制方法。大型工業控制主要采用PLC控制，本文整理和歸納一些常用的PLC系統進行張力控制方法。

關鍵詞：光纖拉絲張力；轉矩控制；張力開環；張力閉環

前言

在高速線材或者板材生產過程中為保證產品有合適的尺寸及強度需要有合適的張力，特別是在光纖拉絲生產線中，光纖拉絲張力是對最后玻璃纖維性質起重大作用的關鍵因素之一。光纖拉絲張力對光纖軸向應力、拉絲誘導缺陷、光損耗、強度、折射率分布、截止波長、瑞利散射系數等性能都有影響。光纖生產線張力控制和冶金處理線張力控制有著一定的相似性，因此對冶金處理線張力控制進行介紹并從中選擇合適的張力控制方法應用于光纖拉絲張力控制。張力控制的目的就是保持線材或帶材上的張力恒定，由于冶金處理線屬于大張力大慣量系統因此往往采用矢量變頻器配合同步或異步電機控制通過兩種途徑達到目的：一種通過控制電機的轉速來實現；另一種是通過控制電機輸出轉矩來實現。

1速度模式下的張力閉環控制

速度模式下的張力閉環控制是通過調節電機轉速達到張力恒定的。首先由帶（線）的線速度和卷筒的卷徑實時計算出同步匹配頻率指令，然后通過張力檢測裝置反饋的張力信號與張力設定值構成PID閉環，調整變頻器的頻率指令。

同步匹配頻率指令的公式如下：

f = （V×p×i）/（π×D）

其中：f為變頻器同步匹配頻率指令，V為材料線速度，P為電機極對數（變頻器根據電機參數自動獲得）。i為機械傳動比。D為卷筒的卷徑。

變頻器的品牌不同，設計者的用法不同，獲得以上各變量的途徑也不同，特別是材料的線速度（V）和卷筒的卷徑（D），計算方法多種多樣，在此不一一列舉。

這種控制模式下要求變頻器的PID調節性能要好，同步匹配頻率指令要準確，這樣系統更容易穩定。否則系統就會震蕩、不穩定。這種模式多用在軋機的連軋傳動控制中。若采用轉矩控制模式，當材料的機械性能出現波動，就會出現軋機軋不動等不正常情況。

2轉矩模式下的張力控制

轉矩模式下的張力控制有兩種方式，一種是轉矩模式下的張力開環控制，另一種是轉矩模式下的張力閉環控制。

2.1轉矩模式下的張力開環控制

在這種模式下，無需張力檢測反饋裝置，就可以獲得更為穩定的張力控制效果，結構簡潔，效果較好。但變頻器需工作在閉環矢量控制方式，必須安裝測速電機或編碼器，以便對電機的轉速做精確測量反饋。轉矩的計算公式如下：

M = （F×D）/（2×i）

其中：T為變頻器輸出轉矩指令，F為張力設定指令，i為機械傳動比，D為卷筒的卷徑。

電機的轉矩被計算出來后，用來控制變頻器的電流環，這樣就可以控制電機的輸出轉矩。所以轉矩計算非常重要。這種控制多用在對張力精度要求不高的場合，如脫脂機、氣墊爐的收卷控制中都采用了這種控制模式。

2.2轉矩模式下的張力閉環控制

張力閉環控制是在張力開環控制的基礎上增加了張力反饋閉環調節。通過張力檢測裝置反饋張力信號與張力設定值構成PID閉環調節，調整變頻器輸出轉矩指令，這樣可以獲得更高的張力控制精度。其張力計算與開環控制相同。不論采用張力開環模式還是閉環模式，在系統加、減速的過程中，需要提供額外的轉矩用于克服整個系統的轉動慣量。如果不加補償，將出現收卷過程加速時張力偏小，減速時張力偏大，放卷過程加速時張力偏大。減速時張力偏小的現象。

3卷徑計算

在所有的模式中都需要用到卷筒的卷徑，大家知道，在生產過程中開卷機的卷徑是在不斷變小，卷取機的卷徑在不斷變大。也就是說轉矩必須隨著卷徑的變化而變化，才能獲得穩定的張力控制。可見卷筒的卷徑計算是多么地重要。卷徑的計算有兩中途徑：一種是通過外部將計算好的卷徑直接傳送給變頻器，一般是在PLC中運算獲得。另一種是變頻器自己運算獲得，矢量控制裂變頻器都具有卷徑計算功能，在大多數的應用中都是通過變頻器自己運算獲得。這樣可以減少PLC程序的復雜性和調試難度、降低成本。變頻器自己計算卷徑的方法有以下三種。

3.1速度計算法

通過系統當前線速度和變頻器輸出頻率計算卷徑。

其公式如下：

D=（i×V）/（π×n）

式中：D為所求卷徑，i為機械傳動比，n為電機轉速，V為線速度。

當系統運行速度較低時。材料線速度和變頻器輸出頻率都較低，較小的檢測誤差就會使卷徑計算產生較大的誤差，所以要設定一個最低線速度，當材料線速度低于此值時卷徑計算停止，卷徑當前值保持不變。此值應設為正常工作線速度以下。多數應用場合下的變頻器都使用這種方法進行卷徑計算。

3.2角度積分法

根據材料厚度按卷筒旋轉圈數進行卷徑累加或遞減，對于線材還需設定每層的圈數。

這種方法計算要求輸入材料厚度，若厚度是固定不變的。可以在變頻器中沒定。此方法在單一產品的生產場合被廣泛應用。

若厚度是需要經常變化的，需要通過人機界面HMI或智能儀表將厚度信號傳送到PLC。由PLC或儀表進行運算后再傳送給變頻器。這種計算方法可以獲得比較精確的卷徑。

3.3模擬量輸入

當選用外部卷徑傳感器時，卷徑信號通過模擬輸入口輸入給變頻器。

4 光纖拉絲系統張力控制

冶金自動化和光纖生產自動化有著一定的相似性，同時由于加工產品的不同、控制對象的不同針對不同的控制精度和控制速度又有不同的具體手段。光纖拉絲過程牽引電機需要在高轉速下進行穩定的速度控制，同時從數米高的拉絲塔上光纖垂直落下其所承受的張力由光纖重力和牽引輪共同作用得到，其過程較為復雜。由于牽引輪既提供光纖拉絲的動力又要和收線筒共同作用保證光纖生產的張力。

光纖生產過程中的張力調整裝置主要是通過舞蹈輪的位置來控制恒定的收線張力。與舞蹈輪聯動的電位器檢出舞蹈輪實時的位置并將其以電壓形式反饋給PLC控制器，當舞蹈輪位置與設定位置發生偏轉時控制器將差值給比例、積分、微分控制器，運算后輸出控制電壓，控制收線電機改變轉速，使舞蹈輪始終處于設定位置保證張力恒定。

5 結論

針對不同系統可采用不同的張力控制方法，一般來說受控制精度的影響在如冶金行業中普遍所需張力較大生產速度不是很高可采用矢量變頻控制直接對電機轉矩進行控制從而保證目標張力恒定，而對于光纖拉絲工藝中所需張力較小而生產速度較高一般則采用伺服控制通過對電機轉速進行調整間接控制生產張力。

參考資料：

1. 胡先志《光纖與光纜技術（電子書）》電子工業出版社 ISBN：9787121035913

2. 天津電氣傳動設計研究所 《電氣傳動自動化技術手冊（第3版）》機械工業出版社 2011-5-1 ISBN：9787111339892

3. 陳炳炎《光纖光纜的設計和制造》浙江大學出版社 2011-6-1ISBN：9787308032346

作者簡介：蔣曉亮（1981.04-），男，漢，江蘇南京人，職稱：工程師，研究方向：電氣自動化控制