???? 一、干法式復(fù)合機控制系統(tǒng)的概述
???? 1、系統(tǒng)介紹
???? 該機張力控制系統(tǒng)由高性能PLC和矢量變頻器共同完成，通過人機界面顯示及設(shè)定相關(guān)參數(shù)，交流矢量電機驅(qū)動，組成一套完善的九電機張力控制系統(tǒng)。
???? 干法式復(fù)合機由放料1、放料牽引、涂膠、復(fù)合、放料2、收料等六部分組成。放料1料卷到放料牽引段的張力稱為放料1張力；放料牽引到涂膠段的張力稱為放料牽引張力；涂布到復(fù)合段的張力稱為烘箱張力；放料2到復(fù)合段的張力稱為放料2張力；復(fù)合到收料料卷段的張力稱為收料張力，這就是我們常說的五段張力。
???? 這五段張力都有各自獨立的驅(qū)動器（變頻器）、矢量電機、張力給定器件及張力檢測反饋器件，他們自成系統(tǒng)，同時又接受中央控制器PLC的統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮。
???? 2、張力信號采集
???? 在放料1、放料2、放料牽引、收料分別裝有一個擺輥電位器，該電位器通過齒輪與其擺輥相連，通過采集電位器上的電壓變化來感知擺輥的位置，達到采集張力信號的目的；而烘箱張力采用張力控制器和壓電式傳感器直接測定料膜的實際張力值，然后把張力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成張力信號反饋回張力控制器，通過此信號與控制器輸入設(shè)定（PLC輸出）的張力值對比，計算出控制信號，自動控制執(zhí)行單元則使實際張力值與預(yù)設(shè)張力值相等，以達到張力穩(wěn)定目的。
???? 3、張力控制的執(zhí)行機構(gòu)
???? 張力信號采集到PLC中后，通過內(nèi)部計算輸出一個控制量，該控制量送入交流矢量變頻器，驅(qū)動交流矢量電機來達到張力控制的目的。
???? 二、干法復(fù)合機控制系統(tǒng)說明
???? 1．張力
???? 所謂張力就是通過材料的變形而產(chǎn)生的張緊力，如該變形在材料的彈性變形范圍內(nèi)，那么在自然狀態(tài)下材料可以恢復(fù)，如超出了彈性變形范圍，則對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了破壞，不能恢復(fù)，由此可以看出不同的材料有不同的張力設(shè)定范圍。復(fù)合的材料在運動過程中，穩(wěn)定的張力可使走料平穩(wěn)、不易起皺、易于涂膠、復(fù)合和收卷整齊、提高生產(chǎn)效率，降低廢品率。
???? 下面通過簡單圖示來說明張力的產(chǎn)生
???? 如圖1所示，料膜由前一主動機構(gòu)送出，其線速度為 v1，第二主動輥的線速度為v2， Ｔ為料膜進入第二主動輥的張力，設(shè)料膜的彈性模量為Ｅ，橫截面積為Ａ，兩主動輥之間的長度為L,T=v1/L、為料膜由前一主動輥到達第二主動輥的時間，根據(jù)胡克定律得:?
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???? 1 驅(qū)動輥? 2膠輥壓輥? 3 驅(qū)動輥
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???? 由此可知，若需控制料膜張力，就必須控制(v2-v1 )，即兩環(huán)節(jié)速度差，可見有些張力控制系統(tǒng)實際上也是線速度跟蹤系統(tǒng)。
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???? 2．張力控制
???? 張力控制是指能夠持久地控制料膜在設(shè)備上輸送時的張力的能力，這種控制對機器的任何運行速度都必須保持有效，包括機器的加速、減速和正常運行。即使在緊急停車情況下，也能保證料膜不產(chǎn)生絲毫破損。
???? 3．擺輥檢測張力
???? 在擺輥檢測裝置中，擺輥的一個優(yōu)點是能夠存儲料膜，它的作用就好比是一個蓄力器、緩沖器，吸收或隔離了張力的擾動，如圖2所示，以放卷擺輥為例介紹擺輥
???? 檢測張力的機械結(jié)構(gòu)及受力情況：
???? F—給定張力? F1、F2—材料張力 d－擺輥直徑?
???? 擺輥檢測張力原理
???? 擺輥檢測張力是通過電位器來檢測擺輥偏離中心位置（擺輥自然垂直位置）的角度，而間接檢測料膜表面張力的大小和變化波動，這個過程需要使用擺輥反饋信號，反饋信號是擺輥的位置偏差，通過位置偏差來反映張力的波動量。當系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，擺輥自然下垂處于中位（預(yù)先在PLC中設(shè)定的中位），擺輥氣缸上的推力與料膜上的張力處于平衡。
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???? 圖3? 放卷/收料擺輥極限示意圖
???? 如圖3所示，若系統(tǒng)張力發(fā)生波動，擺輥則會水平擺動，此時連接在擺輥擺動軸上的電位器的電位差則會改變，偏向極限1時，低摩擦汽缸伸出，說明張力變小；偏向極限2時，低摩擦汽缸收回，說明張力變大。
???? 當系統(tǒng)張力產(chǎn)生了波動，克服機械摩擦阻力，這種平衡被打破，擺輥位置發(fā)生了偏移，擺輥的自重在水平方向產(chǎn)生分力，該分力疊加到料膜張力上，使系統(tǒng)張力產(chǎn)生更大的波動。機械摩擦阻力包括氣缸、擺輥機械裝置等的摩擦力，系統(tǒng)在工作時是一個不斷的動態(tài)調(diào)整過程，機械摩擦阻力對張力檢測精度有很大的影響。從以上分析可看出，減輕擺輥裝置的自重、減小機械摩擦阻力是提高張力檢測精度的關(guān)鍵。另外擺輥反饋信號應(yīng)調(diào)整到最高分辨率，過低的分辨率將降低張力調(diào)節(jié)的總體性能。
???? 對檢測出來的張力偏差信號的抗干擾措施：在硬件上選擇優(yōu)良的器件，配備完善的接地網(wǎng)，單點接地，分隔走線及布線，所有信號線均采用屏蔽線；在軟件上，對檢測信號進行濾波，消除錯誤的檢測信號對系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊。
???? 三、引起張力波動的因素：
???? 復(fù)合料在運動過程中，穩(wěn)定的張力可使走料平穩(wěn)、不易起皺、復(fù)合強度高、廢品率低。在實際使用過程中，由于張力控制的多樣性、復(fù)雜性、綜合性等原因，實際張力會產(chǎn)生波動，綜合分析產(chǎn)生張力波動的原因如下：
???? 1、收放料直徑變化引起的張力波動。
???? 干法式復(fù)合機料卷在收、放卷過程中，收卷和放卷直徑是不斷變化的，直徑的變化必然會引起料膜張力的變化。放卷在制動力矩不變的情況下，直徑減小，張力將隨之增大。而收卷則相反，如果收卷力矩不變時，隨著收卷直徑增大，張力將減小。
???? 2、機械加工精度、裝配質(zhì)量、配套件質(zhì)量等方面的影響。
???? 提高干法式復(fù)合機各主要構(gòu)件如傳動齒輪、底座、墻板、導(dǎo)向輥、軸承精度等的制造精度和裝配精度，否則料膜在涂膠輥、復(fù)合輥及眾多導(dǎo)輥上運行時，料膜上的張力就會隨之發(fā)生微小變化，最終就會反映到整臺機器上，致張力產(chǎn)生無規(guī)律變化。
???? 3、張力檢測信號的精度及干擾的影響。
???? 檢測信號的精度直接影響著控制精度，如果張力的波動不能實時可靠地反映出來，再好的控制系統(tǒng)也無能為力，只有實時、準確的、可靠的檢測信號才能保證控制的高精度。張力控制系統(tǒng)是一個多軸聯(lián)動的系統(tǒng)，內(nèi)部包含有很強的干擾源（如大功率的變頻器），對檢測信號的抗干擾處理是必要的也是必須的。
???? 4、PID控制是干法式復(fù)合機張力控制的一個重要環(huán)節(jié)，PID設(shè)定不合適，張力波動大，控制精度差。
???? 5、操作不當會引起張力的波動。比如，張力大小設(shè)置不恰當，則設(shè)備在高速運轉(zhuǎn)中，料膜會忽松忽緊，影響復(fù)合強度，粘邊現(xiàn)象等。再如，烘箱溫度設(shè)置過高，導(dǎo)致料膜通過烘箱后變形過大，影響復(fù)合質(zhì)量。
???? 6、原材料和生產(chǎn)環(huán)境對復(fù)合也有影響。料膜的厚度不均勻或料卷不圓過于疏松會使實際張力變化頻繁，增加控制難度，導(dǎo)致涂膠不均勻、復(fù)合后收料不整齊、廢品率增加；生產(chǎn)環(huán)境的溫度、每段烘箱的溫度設(shè)定、濕度狀況會對復(fù)合過程中的變形大小有一定影響。
???? 7、其它的一些因素引起的張力波動。
???? 如溫度、烘干，冷卻等其它一些因素的變化引起張力的波動。以上分析了張力產(chǎn)生波動的一些原因，下面就針對這些原因在控制方面進行解決及消除。
???? 四、提高張力控制精度和產(chǎn)品質(zhì)量：
???? 一個要求張力控制高精度的系統(tǒng),需要考慮的因素很多,下面就對裝配和調(diào)試過程中提高張力控制所采取的措施加以說明：
???? 1、提高張力信號檢測精度及抗干擾措施：
???? 在擺輥檢測裝置中，擺輥的一個優(yōu)點是能夠存儲料膜，它的作用就好比是一個緩沖器，吸收或隔離了張力的擾動。擺輥調(diào)節(jié)的目的是通過調(diào)整擺輥位置而間接控制料膜表面張力，這個過程需要使用擺輥反饋信號，反饋信號是擺輥的位置偏差，該位置偏差對應(yīng)的反映張力的波動量。當系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，擺輥自然下垂，擺輥氣缸上的推力與料膜上的張力處于平衡；當系統(tǒng)張力產(chǎn)生了波動，克服機械摩擦阻力，這種平衡被打破，擺輥位置發(fā)生了偏移，擺輥的自重在水平方向產(chǎn)生分力，該分力疊加到料膜張力上，使系統(tǒng)張力產(chǎn)生更大的波動。機械摩擦阻力包括氣缸、擺輥機械裝置等的摩擦力，系統(tǒng)在工作時是一個不斷的動態(tài)調(diào)整過程，機械摩擦阻力對信號檢測精度有很大的影響。從以上分析可看出，減輕擺輥裝置的自重、減小機械摩擦阻力是提高信號檢測精度的關(guān)鍵。
???? 對檢測信號的抗干擾措施：配備完善的接地網(wǎng)，單點接地，強弱電分隔走線及布線，所有信號線均采用屏蔽線，并用金屬軟管加以屏蔽（如對變頻器輸入和輸出接濾波器或加電抗器）。
???? 2、在收放料自動裁切時，都配有預(yù)驅(qū)動功能，放料新卷直徑由脈沖編碼器自動檢測，經(jīng)PLC準確地計算出新卷直徑，保證預(yù)驅(qū)軸表面的線速度與當前線速度相接近，盡量減小在自動換軸時線速的差別使張力波動；自動接料時，料尾長度控制：裁切時，可調(diào)整糊面位置改變料尾長度。料尾太長會引起張力波動增加、走料不暢等問題。調(diào)整糊面位置可有效地減小尾長度，使新軸預(yù)驅(qū)動速度嚴格和整機速度同步，保證料膜能夠按照整條生產(chǎn)線的同一速度運行，使擺輥控制料膜表面張力的修正量更小，精度更高。另外機械負載的波動對電機速度也會產(chǎn)生影響，在實際應(yīng)用中，精調(diào)變頻器的部分參數(shù)并進行變頻器自學(xué)習(xí)，使變頻器和矢量電機工作在良好的狀態(tài)下，提高張力的穩(wěn)定性。
???? 3、PID控制
???? 張力控制采用PID控制。PID控制效果的好壞主要在于采樣時間、增益、積分、微分等PID參數(shù)的調(diào)節(jié)。張力控制時，PID參數(shù)在低速到高速時可能不適合，或者不同卷徑段的PID參數(shù)是不通用的。因為收放料在正常工作時，料卷直徑在不斷地變化，其卷徑的變化是引起張力穩(wěn)定的最大因素，收放料依據(jù)PLC內(nèi)部計算直徑進行分段PID控制，調(diào)試機器過程中設(shè)定各個分段的PI參數(shù)，確保收放料張力穩(wěn)定。總之，從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等方面來考慮, Kp 、KI、KD對系統(tǒng)的作用如下：
???? 比例系數(shù)Kp的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度K越大,系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào),甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定； Kp過小,則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。
???? 積分系數(shù)KI的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差K越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除越快，但KI過大，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)；若KI過小，將使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差難以消除,影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。
???? 微分作用系數(shù)KD的作用是改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，即在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預(yù)報,在系統(tǒng)引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間但K過大,會使響應(yīng)過程提前制動，而且會降低系統(tǒng)的抗干擾能力。
???? 所以,對Kp 、KI、KD 三個參數(shù)的選取直接影響PID控制效果。
???? 4、收料錐度張力控制：隨著收料直徑的遞增，張力遞減，安調(diào)中針對用戶具體的復(fù)合材料設(shè)定合適的錐度張力，以防止收料料卷損傷和提高產(chǎn)品收卷質(zhì)量。設(shè)定收料錐度張力的啟始直徑和終止直徑，此直徑與收料錐度張力關(guān)系如下：（圖4和圖5所示）
???? 圖4 線性錐度張力控制
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??? 在D1≤D≤D2時，隨著收料直徑的遞增，張力線性遞減，力矩輸出T則是隨著收料直徑的遞增而遞增。
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???? 非線性錐度張力計算如下：
???? F=F1×[1-K（1-D1/D）]
???? 含義如下：
???? F為實際張力值
???? F1為設(shè)定張力值
???? K為張力錐度系數(shù)
???? D為料卷實時直徑
???? D1為起始料卷直徑
???? 通過以上方法及有效措施的實施，使張力控制穩(wěn)定，設(shè)備維修工作減少，使用壽命延長，保證了復(fù)合料膜的強度，改善了機器的張力性能，在升降速、接換料時廢品率大大減小，這種控制模式得到最終用戶的一致好評。
???? 軟包裝企業(yè)的迅猛發(fā)展對干法式復(fù)合機的需求數(shù)量越來越大，質(zhì)量要求也越來越高，與此同時，我們要加強完善張力控制系統(tǒng)，開發(fā)出高速度、高精度、高可靠性和高品質(zhì)的產(chǎn)品，適應(yīng)市場經(jīng)濟的發(fā)展要求。
