司云萍

（中山市技師學院，廣東中山 528400）

0 引言

現(xiàn)有一臺1992年生產(chǎn)的德國DAVIS-STANDARD公司生產(chǎn)的擠出復合生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線第二副放卷部位采用手動調節(jié)輸出氣壓控制剎車盤，達到設定制動力矩的目的。

由于該控制方式簡單落后，張力控制不穩(wěn)定。因此，在生產(chǎn)過程中，印刷薄膜容易起皺，節(jié)距易拉升，產(chǎn)品不良率較高，已經(jīng)無法滿足產(chǎn)品質量的要求。因此，筆者決定對第二副放紙張力控制系統(tǒng)進行改造，采用以張力控制器為主的張力閉環(huán)控制系統(tǒng)代替原手動調壓開環(huán)控制系統(tǒng)。

1 改造方案設計

（1）改造前的控制方式

在系統(tǒng)改造之前的設備是使用手動張力控制，其控制流程如圖1所示。該控制系統(tǒng)采用手動調節(jié)氣壓閥來控制輸出氣壓大小，從而改變氣壓式剎車盤的制動力矩，屬開環(huán)控制系統(tǒng)，輸出與輸入之間無反饋信號，導致無法自動調節(jié)張力大小。

圖1 手動控制張力系統(tǒng)

圖2 自動控制張力系統(tǒng)

（2）改造后的控制系統(tǒng)

為了能夠實現(xiàn)自動調節(jié)，同時考慮到放卷部位有A軸和B軸不停機接紙機構，筆者設計采用PLC來控制張力的投入和停止，控制A軸和B軸之間張力的切換，由PLC、張力控制器、張力傳感器、電空變換器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2所示。

2 自動控制系統(tǒng)的元件選擇

根據(jù)該擠出復合設備生產(chǎn)的各種產(chǎn)品的規(guī)格要求，放卷時需要保證張力恒定，張力范圍要求為40～430 N。

（1）張力控制器

張力控制器是一種控制張力的儀表，一般是由單片機及其外圍電路組成的器件，張力控制系統(tǒng)一般主要由張力控制器、張力讀出器、張力檢測器組成?？刂茣r，設定好要求控制的張力值后，將張力傳感器實時發(fā)出的信號作為張力反饋值，通過比較兩個值后得出偏差，輸入到PID（比例-積分-微分）控制器進行處理。最后再將輸出的信號給外圍執(zhí)行機構，最終達到偏差最小，系統(tǒng)響應最快的目的，如圖3所示。

圖3 張力控制器的控制流程

P（比例）環(huán)節(jié)作用：對偏差信號進行瞬間快速反應。該環(huán)節(jié)用來控制當前，誤差值和一個負常數(shù)P（表示比例）相乘，然后和預定的值相加。P只是在控制器的輸出和系統(tǒng)的誤差成比例的時候成立。這種控制器輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關系。

I（積分）環(huán)節(jié)作用：該環(huán)節(jié)可以使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。該環(huán)節(jié)用來控制過去，誤差值是過去一段時間的誤差和，然后乘以一個負常數(shù)I，然后和預定值相加。I從過去的平均誤差值來找到系統(tǒng)的輸出結果和預定值的平均誤差。

D（微分）環(huán)節(jié)作用：微分環(huán)節(jié)作用是反映偏差信號的變化率，具有預見性。該環(huán)節(jié)用來控制將來，通過計算偏差信號的一階導，這個導數(shù)會對系統(tǒng)的改變作出反應，導數(shù)越大，控制系統(tǒng)就會對輸出結果作出更快速的反應。

根據(jù)本控制系統(tǒng)的要求，選用三菱LE-40MTA-E型全自動張力控制器。

（2）張力傳感器[3]

張力傳感器是采用應變片電橋測試原理，如圖4所示。該傳感器能測量印刷薄膜通過張力輥時施加在張力輥的力，根據(jù)所受力的大小，輸出與之成正比的電壓信號，其安裝位置如圖5所示。

為了配套使用三菱LE-40MTA-E型張力控制器張力控制器，本改造系統(tǒng)選擇三菱生產(chǎn)的LX-100TD型張力傳感器，它的額定荷重為1 000 N，它具有響應時間短，輸出幅度高的特點。

圖4 張力傳感器結構

圖5 張力控制器的安裝實例

（3）電氣比例閥[1]

電氣比例閥的工作原理是輸出氣壓的大小根據(jù)輸入電壓的大小改變而改變，如圖6所示。根據(jù)張力放大器的輸出，本系統(tǒng)決定選用SMC公司生產(chǎn)的ITV2050-04F3L型電氣比例閥。

圖6 電氣比例閥結構

（4）PLC（可編程控制器）

考慮到改造系統(tǒng)的靈活性，決定采用PLC來控制張力控制器的啟動和停止以及張力的切換，以及轉架的相關動作。根據(jù)控制要求及外圍設備選型，本改造系統(tǒng)選用三菱FX2N-32MR型PLC來控制系統(tǒng)相關動作。

3 改造后自動控制過程分析

（1）接線圖

改造后的控制系統(tǒng)控制線路如圖7所示。

（2）自動控制過程

當A軸料裝好后，轉架轉到運轉位置，A軸接近開關（X2）輸入信號，按SB0（X0）啟動張力，此時KA1不得電，選擇A軸為工作軸，Y0輸出控制張力控制器輸出4～20 mA工作電流到A軸電氣比例閥（EPA），EPA輸出一定的氣壓制動A軸剎車盤，張力傳感器檢測相應的張力反饋至張力控制器。當檢測值＜設定值時，張力控制器輸出電流增大，EPA輸出更高的氣壓至A軸剎車盤，A軸制動力矩增大；當檢測值=設定值時，張力控制器保持原來的輸出電流，EPA保持原來的氣壓，A軸制動力矩不變；當檢測值＞設定值時，張力控制器輸出電流減小，EPA輸出氣壓降低，A軸制動力矩減小，直到檢測與設定值達到平衡。當張力發(fā)生變化時，張力控制器持續(xù)進行PID調節(jié)，直到設定值與檢測值達到平衡，調節(jié)才結束。

圖7 系統(tǒng)接線圖

當A軸薄膜卷徑逐漸減小時，將裝好大卷薄膜的B軸轉到工作位置，準備切紙換卷，B軸近接開關（X3）閉合，A軸接開關（X2）斷開，但在未按切紙SB2（X4）前，輸出張力仍在A軸（即A軸仍是工作軸），當薄膜減少到接近于零時，按下切紙按紐SB2，KA1吸合，此時張力輸出轉換到B軸，B軸正常運行。同時T1吸合，延時3秒，Y2閉合，KA2吸合，張力控制器輸出制動力矩到A軸，制動時間為5秒，5秒后制動結束，W1可以調節(jié)制動力矩大小。A軸停止運轉后裝新卷薄膜，準備下次換卷。

（3）PLC程序編制

改造系統(tǒng)的I/O表如表1所示。根據(jù)表1及控制過程，進行PLC程序編寫

表1 控制I/O表

4 系統(tǒng)運行前的調試

（1）張力控制器配重校正

1）歸零校正（ZERO）：張力傳感器在未承受任何力的情況下，此時張力應該為零，在張力控制器上校正零點。

2）配重校正（SPAN）：參照薄膜走向，在張力控制器導輪上配重20 kg的標準砝碼，在張力控制器上分別校正左張力10 kg，右張力為10 kg。

（2）電氣比例閥設定。

根據(jù)工藝要求，該放卷所需要的張力為40～430 N，故設定比例閥輸入4～20 mA電流對應0～6 kg的氣壓到剎車制動盤，通過實際運行，發(fā)現(xiàn)可以滿足工藝要求。

（3）張力控制器PID調節(jié)

考慮到系統(tǒng)需要反應快速，同時要保證無靜差，抖動不能太大，根據(jù)實際運行測試，調整出比較合理的PID值：P=120，I=40，D=20。

5 總結

將原人工調節(jié)氣壓閥輸出制動力矩改成現(xiàn)有的恒張力閉環(huán)控制系統(tǒng)，放卷機實現(xiàn)了張力的自動調節(jié)，操作方便，整個系統(tǒng)采購備件花費1.5萬人民幣，通過一月運行，產(chǎn)品不良率由原來5%下降到2%，收到了良好的經(jīng)濟效益。當然系統(tǒng)還存在不足之處，比如在切紙瞬間，新卷因為是無動力驅動，速度由于跟老卷不同步，必須從零開始加速，這在不停機接紙過程中，增加了擾動。