基于重力传感器的印染设备张力系统改进及PROFINET集成

基于重力传感器的印染设备张力系统改进及PROFINET集成

成都纺织高等专科学校 刘 红 王 强 广东佛山三水昊通印染有限公司 陈 丹/文

本文对重力传感器的结构和原理进行了分析，提出了一种基于重力传感器的印染设备张力控制系统设计方法，给出了系统硬件结构和软件改进的算法。同时，进行了基于PROFINET的工厂级系统集成设计。

重力传感器；张力控制；PROFINET；PID

1 前言

印染工业生产设备大多都是多单元传动联合机械，联合机各单元间的同步性能的好坏直接关系到染色、印花产品的质量，因此，多单元同步传动是印染机械设备同步控制的关键，

国内大多数印染设备同步张力控制方式普遍采用磁粉离合器控制、变频器控制和伺服控制三种方式。但是，其同步检测调节环节仍然沿用了原有的松紧架结构，这种装置的缺点是体积大、结构比复杂、精度低、安装困难，在酸、碱、水气环境中故障多、维护工作量大，而且松紧架的摆幅对于薄织物和高支高密织物易产生皱褶，松紧架的张力调节采用重锤悬挂或气缸调节，张力大小不稳定，容易引起断布、经向长度不一致、径向缩率不稳定等严重后果，影响后序印花染色的品质。我们通过企业调研，结合张力检测技术的新发展，与企业相关技术人员一起，提出了基于重力传感器的张力检测新方法，进行了系统的构建，给出了系统应用设计方案。

同时，为满足企业将底层分布的生产数据整合到全厂信息管理系统中，并在信息管理级实现对生产现场的远程服务和维护的要求，设计了以PROFINET以太网技术为核心的网络集成方案，架构控制级，实现现有管理层和现场级网络的无缝转换和企业的统一架构。

2 重力传感器的结构与原理

重力传感器采用应变片传感器原理，内置双悬臂梁，同时贴于悬臂梁上的四片应变片组成惠斯通全桥，当外部在悬臂梁上产生力矩时，此应变全桥失去平衡输出差额电压。其内部原理如图1所示 。为了保证传感器在一定温度波动范围内正确稳定地输出信号，其内置了一套温度补偿网络，从而使传感器输出的电压信号只与压力成线性正比，不受温度或电路通讯干扰，长期振动下仍能稳定工作。张力的大小由信号幅度反应，方向由信号的极性反应。

图1 重力传感器内部原理

图2 轴台式重力传感器外形

重力传感器分为轴台式、圆饼式、悬臂式和圆筒式等多种形式（轴台式重力传感器外形如图2所示），满足不同条件下的安装要求。根据对印染行业的调研结果分析，我们选用轴台式重力传感器，它采用全密封防腐蚀、防化学设计，检查范围为1KN～200KN，能对张力直接进行检测，没有移动部件，不会引起织物皱褶。通常两个传感器配对使用，将它们装在张力辊两侧的端轴上（如图3所示），织物通过压力辊施加负载，使重力传感器敏感元件产生位移或变形，从而检测出实际张力值，并将此张力数据转换成张力信号反馈给控制器，最终实现张力闭环控制。其优点是检测范围宽，响应速度快，线性好。

目前技术比较成熟的有台湾运泰电机有限公司的LMS系列，上海宇泽机电有限公司的UPB-M1、M2系列，德国海纳电子有限公司的BZH系列重力传感器，配合MV系列放大器将信号转换为-10V～10V或0～20MA 有效值传送给控制器。

图3 重力传感器安装及压力分析

重力传感器最大压力等级计算公式:

MWF={[2TxSIN(A/2)]}x(HsinB+LcosB)+/-W(Lcosc-HsinC)}/2L （1）

MWF：最大工作压力（N），MWF计算结果是单个传感器所承受的工作压力；

T：最大总张力（N）；

K：过载系数(一般场合取1.4-2.0)；

A ：包角（度）；

W：张力辊重量（N）；

B ：张力夹角（度），B角如果在水平线下用“+”，如果在水平线上用“-”；

C ：安装角度（度）；

H：传感器中心距离张力辊中心的距离。

3 基于重力传感器的张力系统硬件组成

本设计中传感器选用台湾运泰电机有限公司的LMS-050传感器，安装在张力辊座下，静止情况下承受材料垂直向下荷重、张力检测辊以及机械零部件轴承座的重量，当织物运行经过张力检测辊时，向下的荷重产生变化，即张力变化，从而引起传感器敏感元件变化，将力信号转换为电信号，经过滤波、放大转换为有效控制信号控制执行机构，从而调节张力大小。在一般设备上，传感器安装在一条轴两端，每端各一只，即信号由两只传感器输出信号串联叠加而成。张力系统由控制装置、执行装置、检测装置构成，其模块框图如图4所示。

3.1 控制装置

采用以PLC为核心的控制装置, 主控单元的给定张力值和反馈张力经PLC模拟输入通道输入，张力调节控制采用PLC内部PID算法，由PLC编程实现，调节信号由PLC模拟通道输出给变频器，调节变频器频率，从而改变同步电机的转速。

3.2 执行装置

由于变频调速技术已经在纺织工业得到了大量普及，各类纺织机械其主传动几乎毫无例外地应用了交流电机变频调速技术。加上印染设备多为单方向、不可逆运行的恒转矩负载，单台功率在几十千瓦以下，故本系统执行机构选用变频器，通过变频器控制同步电机的转速。

3.3 检测装置

张力检测采用重力传感器, 其输出信号经过滤波、放大转换为有效控制信号输入至 PLC 内部。

图4 张力系统模块框图

4 系统算法改进

4.1 多轴同步前辊补偿调节

由于染整设备往往由多单元、多轴组成一个系统，要想控制张力恒定，就要控制速度差恒定。以图5中的5轴同步张力调节为例，设某一时刻，从左到右各导辊速度分别为V0、V1、V2、V3、V4，以主令辊为基准，从辊1、从辊2、从辊3、从辊4的调节速度依次为△V1、△V2、△V3、△V4。为了使多轴张力实现同步，在每根导辊调节速度的基础上，还需叠加前辊补偿量(△V2’、△V3’、△V4’)，以防止前级调速造成后级张力的连续波动。实际应用中，由于工艺要求不同，每一段张力的设定值不一样的，张力大小不同，布的伸缩量也会不同。

图5 5轴同步张力调节原理

因此，多轴同步工作时，各导布辊的实际速度为：

4.2 PID控制算法的改进

在现实生产过程中，设备的启动、结束或大幅度增减张力设定值时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成PID运算的积分积累，使计算得到的控制量超过执行机构的最大动作范围，引起系统较大超调，甚至引起系统的振荡。在此，采用积分分离的PID控制算法改善控制效果。即：人为设定阈值α，当|e(k)|＞α时，也就是说偏差值较大时，采用PD调节，使张力控制系统有较快的响应；当|e (k)|≤α时，也就是说偏差值较小时，采用PID调节，可以保证系统的控制精度。

5 系统的PROFINET集成

PROFINET是一种用于工业自动化的创新、开放式以太网标准，它完全透明地兼容传统工业以太网和办公室以太网，因此，通过使用PROFINET就可以在整个工厂内实现统一的网络架构，真正实现一网到底，为企业的信息化提供统一的通讯平台。PROFINET可以实现到所有现场总线解决方案的无缝转换，用户无需更换现有网络设备，从而减少了用户的硬件投入成本。

考虑到印染企业资金有限，但由于设备控制线长，检测的温度、湿度、张力、速度等信号多，企业希望将底层分布的生产数据整合到全厂信息管理系统中，并在信息管理级实现对生产现场的远程服务和维护，以此提升信息化水平、提高生产效率、降低用工成本，本设计中我们采用PROFINET工业以太网网络控制架构来组态系统，系统集成结构如图6所示，整个系统由管理级、控制级和现场级三层构成。

管理级：管理级是系统的核心部分，对企业各部门进行管理和控制，并实现工厂级的办公自动化。管理级与WLAN连接，提供人机接口和整个制系统与外部信息的交换。管理级的计算机采用C/S体系结构，服务器选用大型的网络关系数据库，满足开放、分布式数据库管理方式的要求，装有WINCC运行版的PC机作为监控操作站。

控制级：控制级是管理级与现场级之间的枢纽层，其主要功能是接受管理层设置的参数或命令，同时将现场状态输送到管理层。控制级控制器采用西门子S7-300系列PLC，在其机架上增加一个CP343-1以太网模块构建PROFINET网络，通过该网络与管理层计算机和现场级设备进行通信。PROFINET网络既可以直接挂接其他智能设备(如PLC)用于单元级的通讯，也可以通过挂接具有PROFINET接口的西门子ET200S系列，外带IM151-3PN接口模板进行现场信号的采集，还可以通过IE/PB LINK PN IO代理服务器将现有PROFIBUS网络透明地集成到PROFINET中。

通过使用代理服务器方式，PROFINET能方便地将其他类型现场总线网络接入到其中，实现统一的架构。PRIFINET CPU 能够使用STEP7在工业以太网上通过PC进行组态、编程和调试。

现场级：现场级可以直接连接智能仪表、智能控制设备（如可编程序控制器、I/O模块和现场设备），也可以通过开放的、标准化的现场总线PROFIBUS来连接现场控制部件（如本设计中的PLC）。其功能主要是对系统设备的状态、传感器参数进行监测，并把监测到的数据上传，接受控制级的指令对执行机构进行控制。

图6 基于PROFINET 的系统集成结构图

6 总结

采用重力传感器张力检测成本低、织物没有摆幅、张力稳定，解决了印染行业急需解决的难题，同时少了气缸、松紧架、链条、链轮等机械装置，减少了张力辊等的维修费用，在印染、纺织、造纸、冶金等行业有广泛推广价值。系统的PROFINET网络集成满足了企业将底层分布的生产数据整合到全厂信息管理系统中的要求，新的控制系统将网络通讯协议上下统一，极大地节约了构建成本和未来维护成本，同时为未来系统的升级打下了良好的基础。