帶材收放卷張力控制系統研究

陳保勝，舒 航

(杭州電子科技大學信息工程學院 機械工程學院，浙江 杭州 310000)

0 引言

帶材收放卷機構在紡織工業、印刷工業中起到越來越重要的作用。保證帶材收放卷機構質量的關鍵是帶材收放卷機構的張力控制。張力控制在我國很多行業(紡織行業、印刷行業、軋鋼行業)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，就會對產品質量造成影響[2-5]。目前，我們國家的張力控制設備主要通過從國外進口，不僅價格非常高，而且尖端技術被國外市場所壟斷。因此我國自主研發收放卷設備顯得尤為重要[3]。

因此，為了提高帶材產品的質量，本設計使用PID控制算法，設計了帶材收放卷張力控制系統，該系統能有效地改善帶材收放卷的動靜態，只要設定了正確的參數，科學的操作技術，就可以控制恒張力。

1 張力控制系統總體設計

1.1 張力控制系統方案設計

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定值。帶材收放卷張力控制系統是基于區分材料的材質而設計的，以可編程邏輯控制器為中央處理器，主要實現張力的恒定控制。向PLC發送預設張力信號，PLC將張力傳感器實時反饋的實際張力值與預設的張力值進行對比[4]，然后運用PID控制算法，再次輸出控制直流電機，以此組成閉環回路，得到實際的張力值與預設張力值基本相等。

整個系統由控制器、直流電機驅動器、直流電機、觸摸屏和檢測模塊組成的閉環電路組成，如圖1所示。首先，控制器根據觸摸屏的預設張力信號向電機驅動器發送驅動信號。其次，直流電機驅動器將控制電流傳遞到直流電機，直流電機開始轉動，進而使帶材收放卷機構卷軸旋轉，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。整個系統中，觸摸屏可設定帶材收放卷機構的預設張力，以及呈現帶材收放卷機構的運動形態。

圖1 控制系統原理圖

1.2 張力控制系統數學模型

帶材張力T的表達式為[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放卷和收卷的線速度。當放卷和收卷兩端差值達到動態平衡時，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

本設計選擇放卷軸附近的點，根據放卷軸動態力矩的平衡關系，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，V1為線速度，h為帶材厚度。J為帶材卷及帶材卷軸總的轉動慣量，J0為帶材輥的轉動慣量，TR為帶材中張力形成的拖動轉矩，M1為帶材卷軸形成的制動轉矩，J1為帶材卷的轉動慣量。

2 張力控制系統硬件設計

硬件系統是帶材收放卷機構可以準確運行的基礎。硬件設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變成標準信號進行輸出[6]。

驅動部件：1)直流無刷電機，作用是驅動執行構件完成帶材收放卷張力控制系統的要求。2)直流無刷電機驅動器，作用是驅動直流無刷電機，并實現其變速功能。

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

上位機：上位機是直接向控制器發送指令的設備，本設計采用觸摸屏作為帶材收放卷張力控制系統的上位機。

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電路的工作原理，現設計電氣原理圖，如圖3所示。

張力傳感器分布于收放卷的兩側，壓力變送器將兩側張力傳感器的信號進行轉換和放大，轉換成0～10 V的標準電壓信號。變送器向PLC中輸入標準電壓信號[4]。直流無刷電機控制器接收PLC輸出的0～10 V的標準電壓信號，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的標準電壓信號，然后向直流無刷電機控制器發送0～10 V的標準電壓信號，這樣構成一個閉環回路。運用PID的控制算法，從而實現調節收放卷的轉速使帶材張力到目標值[5]。

圖3 電氣原理圖

3 張力控制系統軟件設計及仿真

3.1 程序設計流程

為保證帶材收放卷張力控制系統可以穩定運行，現設計控制系統的軟件部分。

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

圖4 主程序流程圖 圖5 自動運行子程序流程圖

本設計通過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；根據偏值，運用PID算法得到控制量，然后驅動直流電機，最后得到理想的壓力值。調節過程如圖6所示。

圖6 PID調節過程

3.2 人機界面設計

圖7 人機界面圖

本控制系統使用WINCC Flexible作為組態軟件，進行人機界面設計[6-7]。用戶不僅可以隨時監視運行狀態，還可以修改運行參數。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分析可知，系統需要對張力傳感器的壓力信號進行采集，同時向直流電機驅動器發送直流電機的轉速信號。I/O地址分配如表1所示。

表1 I/O分配表

3.4 系統模擬仿真

本模擬使用的仿真軟件為Matlab R2013b。本設計的張力控制系統仿真由：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仿真模型[6]。圖9為帶材張力控制系統PID控制模塊圖。圖10為帶材張力控制系統等效制動器模型。

圖8 帶材張力控制系統仿真模型圖

圖9 帶材張力控制系統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(Bf)、線速度(V1)、帶材厚度(h)、帶材卷軸轉動慣量(J0)、等參數都是常量，具體數值如表2所示。

表2 參數表

設線速度為10 m/min，即紙卷半徑為0.25 m，張力設定值為80 N。經初步估算得知，當Kp=0.4，Ki=0.3，Kd=0.005，張力曲線相對穩定[6]。

張力模擬曲線，如圖11所示。

圖11 張力模擬曲線圖

4 結論

本研究在分析帶材收放卷保持張力方法的基礎上，開發了一種基于PLC的帶材收放卷張力控制系統，可實現對帶材收放卷方便準確的恒張力控制。

以PLC為控制核心，采用WINCC Flexible作為組態軟件，操作方便快捷。使用PID控制算法，適應性好，可使帶材收放卷張力控制系統更加準確、穩定、快速。對張力控制系統進行了數學建模并對其進行了仿真，設計了系統的硬件和軟件，提高了系統的自動化程度和可靠性。