转移式涂布放卷机线速度协调张力控制系统

高位肖，盖俊飞

（河北经贸大学 信息技术学院，河北 石家庄 050061）

在涂布纸加工过程中，纸张需要一定的张紧度。放卷张力不稳定会给后级张力造成干扰，出现走纸不稳［1］。此情况极易使纸张出现皱褶、涂料不匀而成为废品，给生产造成极大的浪费。因此，必须要保持放卷张力稳定。在张力控制要求非常高的场合可以采用闭环张力控制系统，这样的系统需要张力传感器，造价比较高。该系统中由于张力辊对放卷级张力和涂布级张力的缓冲作用，允许放卷张力存在较小的误差。但放卷系统应该保持与进给系统速度协调，保持张力在不同卷径时保持恒定。本文论述一种以6RA70为直流调速控制器，以直流电机为放卷执行机构，无需张力传感器，前后级线速度协调一致的放卷张力控制系统［2］。

1 转移式涂布系统的电气控制系统结构

涂布系统除了具备合理的机械结构外，对电气控制系统也提出了较高的要求［3］。该自动控制系统结构如图1所示，主要由PLC、触摸屏、6RA70 直流电机控制器组成，是一个基于PROFIBUS总线的恒张力控制系统。PLC 主要用于控制系统通讯、卷径计算和转矩计算等。触摸屏是人机交互的主要部件，用于初始值的设定和运行状态的显示，另外还可以进行启动、停止、自动接纸等功能控制。6RA70根据设定的参数值和PLC 的计算值来控制电机的转速和转矩［4］。

图1 涂布纸加工电气控制系统

2 速度协调式张力控制系统的算法模型

图2给出的是放卷线速度与进给线速度协调一致的张力控制系统的模型。

其中Fd为给定张力，Vd为给定线速度。V1为放卷电机实际线速度，V2为进给电机实际线速度，正常情况下V2应该大于V1，这正是张力产生的原因。在本系统中，如果V2要求400（m／min），可调控V1为399（m／min）比较合适，也就是速差1（m／min）。系统中K4为两个线速度之比：

张力F1的计算见式（2）。

其中，Kf是取决于卷绕物材料抗变形能力杨氏模量的系数，τ为材料从放纸卷处运行到进给点所需的时间［5］。

R＝F（·）为卷径运算，卷径计算的准确性对于速度和张力控制都是至关重要的［6］。卷径计算可以选择由PLC来完成，也可以通过6RA70的S00选件完成，具体算法可参见相关的文献［7］，本文中不再论述。

假定R为实时卷径值，K1＝αR（α为张力－电压系数），K2＝β／2πR（β为放卷速度限定系数）。开关K根据V1与V2的比较结果选择连接a点或b点。当V2＞V1时，开关K接a点，Uc＝K1Fd，此时系统根据人工设定张力进行调节。当V2＜V1时，放卷线速度高于进给速度，纸张出现松动，也就是出现了放卷超调，系统要能够进行自我调整［8］。此时开关K接b点：

其中W（p）＝θKp（τip＋1）／τip为PI调节律函数，可以由软件来实现。θ为控制器比例参数的自整定系数，Kp为控制器初始比例系数，τi为积分时间。

WATR（p）为放卷电机力矩控制回路的等效传递函数，Te为给定的电机输出转矩。

图2 放卷机张力控制系统模型

3 控制系统的实现

张力控制系统的实现由触摸屏、PLC和6RA70共同来实现，它们之间通过Profibus总线进行通讯。如图3所示。由于放卷电机在系统中应用于被拖动状态，也就是作为制动器使用，因此采用扭矩限幅控制，此时速度调节器处于饱和状态。速度调节器的两个输入参数P625和P626分别是相关设定转速和实际转速。P625可设定为0转速，当发生断纸时放卷电机不会发生反向飞车。P626为负值表示放卷电机实际转速与力矩方向相反。

放卷电机M1和进给电机M2的实际转速要从6RA70上传给PLC，PLC内部转换成线速度后进行比较，并根据比较结果计算相应的转矩值，最终将转矩值下传给6RA70 的连接字K3004。

线速度协调工艺用6RA70的S00选件自由模块组建而成。如图3中所示，P167参数中的实际转速经乘系数后转换为线速度V1。进给线速度V2与V1的差值经积分后转换为张力F1，积分时间U260＝τ，τ表示材料从放卷处开始运行到进给点所经历的时间。张力F1经系数整定后转换为张力力矩并传送给U121.02，与U121.01中的杂耗力矩叠加后传递给参数U122.03。由PLC计算并传递过来的给定力矩与U122.03取差并进行PI调节后作为转矩限幅值传送给P605。转矩限幅调节器根据P605给定的限幅值调整电枢电流和电机转速，从而达到张力控制的目的。

图3 线速度协调恒张力控制实现

另外，在线速度恒定时，放卷纸卷直径随时间越来越小，放纸电机的转矩也越来越小，但电机转速会越来越高。如果不进行弱磁升速，应将最小轴心直径（无纸状态）时的电机转速作为额定转速来选择合适的电机。

4 结语

由于转移式涂布环保、节能、高效，被越来越多的纸深加工行业采用。本文分析了涂布纸的放卷工艺，给出了速度协调式放卷电机恒张力控制系统的模型。系统的创新点在于使用6RA70自带的S00软件完成了电机转速、转矩的控制运算，极大了简化了控制系统的结构。该方法已在实践中应用并取得了良好的恒张力控制效果。

［1］陈四清，留籍援.凹印机放卷张力控制系统的改造［J］.印刷技术，2003（30）：59－61.

［2］孙标，熊军华.复卷机放纸辊直流电机额定功率的选择［J］.中国造纸，2007，26（8）：41－44.

［3］SIMOREG DC MASTER 6RA70系列使用说明［S］.2007：110－255.

［4］周国林，黄桥生.6RA70控制器在中板轧机压下系统改造中的应用［J］.江西冶金.2002，22（1）：30－32.

［5］高位肖，郭永红.西门子S00选件在自调整卷径计算中的应用［J］.中国造纸，2011，3（8）：52－54.

［6］陈朝晖.凹印机放卷系统恒张力控制策略的研究［D］.华中科技大学，2005：20－58.

［7］汤旭晶等.拉线放卷恒张力控制系统的研究［J］.电气传动自动化，2006，28（1）：34－36.

［8］吴长才，刘冬根.西门子6RA70直流装置在中板三辊压下改造中的应用［J］.宽厚板，2008，14（6）：26－28.