分切機電氣控制系統分析

范云龍

摘要：分切機是凹版印刷行業重要設備之一，對印刷產品的質量和印刷品的分切控制有著舉足輕重的作用。目前我國分切機取得了長足發展，和國外同類設備相比還存在著較大差距。本文主要對分切機的電氣控制特點作以分析，希望能對分切機研究同行有所幫助。

關鍵詞：分切機;張力控制;變頻器;PLC

0 ?引言

凹版印刷是目前我國最流行最常見的圖文印刷方法之一，凹版印刷圖文具有凹凸感、層次豐富、線條清晰、印刷質量高且速度快等特點。分切機是凹版印刷系統的重要工藝設備，對凹版印刷產品的質量及分切控制起著關鍵作用，是整個生產流程中的關鍵角色。目前國產分切機的自動化水平還停留在中下游水平，分切機生產廠家對分切工藝、材料特性的理解深度，還落后于國外發達國家。如分切機的運行速度，大多還低于800m/min，國外產品運行速度大于1000m/min，且已經出現運行速度2000m/min的產品。國產分切機控制系統的嚴密性和合理性還有較大差距。可喜的是，南方有些廠家已經開發出分切速度1000m/min的產品。本文對分切機電氣控制進行分析，結合一分切機控制案例進行說明。

1 ?張力的產生

張力指物體受到拉力作用時，在其內部且垂直于兩鄰部分接觸面上產生的相互牽引力。分切機運行時，薄膜在牽引力作用下產生張力。薄膜張力大小的影響因素有牽引電機轉矩、阻力矩、運行速度、薄膜材質、薄膜寬度和厚度、卷徑變化等。薄膜張力時刻變化，對分切產品質量和張力控制帶來重大影響。

薄膜張力大小計算參考圖1。

張力和各變量間的關系滿足式（1）。其中，薄膜所受張力為F，薄膜由壓輥到收卷輥（牽引輥）間的距離為L，薄膜在壓輥處的線速度為V1，收卷輥（牽引輥）處的線速度為V2，薄膜橫截面積A，薄膜彈性模量E，薄膜從壓輥到收卷輥時間t。

可以看出薄膜張力大小和線速度差的累計成正比，張力控制即為線速度的跟蹤控制。

2 ?張力控制

分切機運行時，目的是把膜料從母料卷轉移再分切成規定尺寸后收卷成品。收卷成品過程須保證膜料品質完好，即要求張力不能太大也不能太小。張力太大會拉斷或損傷卷料，張力偏小會影響收卷質量，所以恒張力控制是分切機正常運行的關鍵。電機轉動時，線速度v=ω*R，轉矩T=F*R，F為薄膜張力，R為卷徑，ω為電機旋轉角速度。要實現恒張力控制，即要求張力F=T·ω/v恒定，可以通過控制轉矩或速度方式實現恒張力。

2.1 轉矩控制

指變頻器控制的是電機的轉矩，而不是頻率。轉矩控制模式下輸出頻率是跟隨材料的速度自動變化。為了防止飛車意外事件發生，須設置上限頻率。轉矩控制模式要實現恒張力控制，須根據卷徑變化調整卷軸轉矩。

卷徑可通過超聲波傳感器直接檢測，或者通過檢測卷料線速度計算卷徑。負載轉距T=F*D/2（F為設定張力，D為當前卷徑），設定了張力大小，負載轉矩就可以算出來。分切機張力設定根據材料、克重及幅寬設置，由操作面板完成，張力調節范圍100-1000N。

轉矩控制模式時，系統配置張力檢測裝置，與張力控制器組成閉環系統，實現恒張力控制。張力控制器輸出0-10V模擬量信號，對應異步電機的額定轉矩。該模擬量信號接入變頻器，選擇轉矩給定，這樣在整個收卷或放卷動態過程中，能夠保證張力的恒定。

2.2 速度控制

變頻器工作在速度控制模式時，按照設定頻率輸出，輸出轉矩自動匹配負載轉矩。速度模式下要設置轉矩最大限幅。

速度閉環控制系統設有張力檢測器。張力檢測裝置反饋的張力信號與張力設定值構成PID閉環，調節變頻器輸出頻率，進而調節卷軸速度，實現恒張力控制目的。同步頻率計算如式（2）。其中，V線速度，p電機極對數，i傳動比，D料卷卷徑。線速度、卷徑的檢測和計算方法有多種。

速度模式變頻器的工作方式有三種：無速度傳感器矢量控制、有速度傳感器矢量控制和V/F控制。

張力檢測裝置有張力傳感器、角位移傳感器等。張力傳感器一般安裝在“張力輥”軸承座上。張力傳感器輸出的電信號（電壓或電流）和張力間有準確的線性關系，反應快速，是高速分切機常用的張力檢測元件。角位移傳感器也是一種張力檢測裝置，和浮動輥配套使用。張力變化時，浮動輥整體沿固定的芯軸轉動，根據角度偏移會輸出與張力相關的信息。角位移傳感器和浮動輥造價低，常用于速度較低（600-800m/min）的分切機上。

2.3 錐度控制

恒張力控制收卷時，隨著收卷卷徑增大，外側材料會對內側材料產生持續擠壓作用，造成內卷壓力大外卷壓力小，外卷擠壓內卷，影響收卷質量。解決方法是隨著收卷卷徑增大逐漸減小張力，保證料卷徑向壓力分布均勻，避免膜卷內部因擠壓出現褶皺等現象。錐度控制的目的，既保證了張力的穩定，又兼顧了收卷內外部壓力均勻分布。

3 ?分切機電氣控制

分切機電氣控制案例。

3.1 張力控制原理

從前面所述張力產生可知，控制收卷放卷的速度差，即可控制張力。收卷、放卷的速度由專用張力矢量變頻器控制。分切機主要是將膜料分切成規定尺寸后收卷成品，所以收卷的速度和張力控制是重點。收放卷張力控制見圖2。

收放卷的線速度由電機編碼器計算獲得，或者通過牽引變頻器的運行頻率模擬輸出獲得，牽引變頻器的運行頻率與線速度成線性對應關系。通過材料線速度與實際卷徑計算得到匹配頻率設定值f1，再通過張力（位置）反饋信號進行PID運算，產生一個頻率調整值Δf，最終頻率輸出為f=f1+Δf。

張力設定值和實測值比較后的差值，經PID運算，輸出模擬量電流值，調節磁粉離合制動器，對轉矩進行微調，進一步改善加減速動態響應。PID運算由PLC程序實現，或者矢量變頻器完成。

磁粉離合器控制收卷時工作在滑差狀態，其輸出轉矩直接影響收卷張力大小，按卷徑大小增加或減小輸出轉矩。放卷張力由放卷裝置中磁粉制動器的制動轉矩和牽引轉矩決定，隨著料卷卷徑不斷減小須不斷減小制動轉矩，維持張力恒定。

3.2 邏輯變量控制

分切機的啟動、停止、點動、加減速等開關量由PLC控制，張力信號、氣壓控制等模擬量也經由PLC處理。PLC與變頻器通過RS485通信方式實現數據傳輸。PLC選型為s7-1200 CPU1214C，模擬量輸出模塊SM1232。變頻器選型為安川變頻器GA70B4023ABBA，GA70B4012ABBA。GA70B4023ABBA功率7.5kW，額定輸入21.2A，額定輸出18A。GA70B4012ABBA功率3.7kW，額定輸入11.7A，額定輸出9.2A。PLC、變頻器、張力檢測與張力控制等部件控制關系見圖3。

3.3 矢量變頻器參數

專用張力矢量變頻器已在高速分切機上得到了廣泛應用，因其調速性能好，不僅提高了生產效率，而且能克服磁粉調速固有弱點。張力專用矢量變頻器內部集成PID功能，可以進行PID參數設置和調整，進行相關參數運算，能處理閉環反饋信號，滿足分切機恒張力控制要求。矢量變頻器運行時須設置的參數包括：電機的控制方式、命令源方式、主輔頻率源選擇、上下限頻率、加減速時間、電機類型及額定參數、速度環增益、速度環積分時間、轉矩上下限值、PID參數等。

4 ?結束語

分切機電氣控制的重點是保持膜料張力在收卷分切過程中的相對穩定，不因卷徑大小變化產生明顯波動而影響分切收卷質量。同時，分切機在加減速或停止時，動態響應能夠快速恢復張力恒定。隨著國外高速分切技術的成熟和高速分切機的應用，我國分切機控制技術在高速控制方面還需要不斷升級改進，超高速分切要求保證張力穩定的基礎上提升速度，對系統各環節的動態響應速度提出了更高要求。

參考文獻：

[1]潘頌哲，鄭巧美，邊立健，高智勇，金文獎.基于PLC的高速分切機自動控制系統的研制[J].機械裝備研發，2020（4）.

[2]張文慶，王凡.薄膜收卷張力控制動力學分析[J].科技世界，2014（28）.

[3]劉麗梅.分切機控制系統原理簡介[J].黑龍江造紙，2016（1）.

[4]陳遠愛，賴昌華，蔡吉飛，王燕.膠帶分切機張力控制技術的國內外進展研究[J].北京印刷學院學報，2018（3）.

[5]趙敏鵬.基于PLC技術的分切機自動控制系統設計[J].計算機測量與控制，2018，26（1）.

[6]張瀟雨，于洪志.ZWQ125分切機改造前后對比[J].黑龍江造紙，2016（8）.

[7]張文慶，王凡.薄膜收卷張力控制動力學分析[J].科技世界，2014（28）.

[8]祝德勇，張宏，楚金升.分切機電控系統改造[J].鋁加工，2013（3）：213.

[9]李方園.變頻器在分切機上的應用[J].自動化博覽，2010（7）.

[10]李中國.PET薄膜分切機收卷張力和壓力的控制[J].聚酯工業，2012（9）.

[11]王瑞超，孫宇，胥小勇.基于模糊神經網絡的薄膜收卷準度張力控制系統[J].化工自動化及儀表，2012（10）.

[12]王振江，趙舜堯.卷徑測量用計算方法實現[J].自動化應用，2012（12）.

[13]李文裕.分切機放卷張力控制分析[J].塑料包裝，2002，12（3）.

[14]司徒元舜.大型、高速非織造布分切機的應用和發展[J].紡織導報，2012（6）.

[15]劉九林.淺談恒張力控制系統下卷徑檢測方式的改進[J].新疆有色金屬，2017（4）.