复卷机退卷张力自动控制系统设计

高光荻　康家玉

(陕西科技大学电气与信息工程学院,陕西西安,710021)



复卷机退卷张力自动控制系统设计

高光荻康家玉

(陕西科技大学电气与信息工程学院,陕西西安,710021)

摘要：针对复卷机工作时退卷张力控制难的问题,在分析了退卷张力对纸幅质量影响的基础上,确定了退纸辊的控制要求并对控制方案进行合理选择,完成了复卷机退卷张力自动控制系统的硬件和软件设计。将公共直流母线结构应用于复卷机传动控制系统中,能充分利用再生能量,提高复卷机运行效率；对退纸辊控制部分进行软件模块化编程,使其具有普适性。该退卷张力自动控制系统在实际中的运用效果较好,适当改动即可适用于多种复卷场合下退卷张力的控制。

关键词：复卷机；退卷张力；交流传动；公共直流母线

现今对复卷机卷取工艺的要求提高了,体现在复卷机车速提高、纸幅幅宽变大及对退卷张力的控制精度提升,且复卷机在高速稳定运行状况下长期工作也能够节约成本。退卷张力会影响纸幅质量,需合理选择退卷张力控制方案。退卷张力控制系统采用交流变频传动方式并配置公共直流母线结构,能合理利用退纸辊电机制动运行产生的能量；采用软件模块化编程控制退卷辊,可实现对退卷张力的精确控制,卷取出符合要求的高质量成品纸卷[1]。

图1　复卷机结构图

1退卷张力控制要求

由复卷机结构(见图1)可知,复卷过程中,纸幅在前后底辊带动下从退纸辊卷取到纸芯上,成为成品纸卷。退卷张力为前后底辊与退纸辊间的纸幅张力,是由前后底辊与退纸辊之间的速度差引起的。纸幅在受到拉伸后会有一段弹性伸长,产生形变ΔL。同种纸幅的ΔL不变,退卷张力一定。纸幅复卷方式为中心卷曲的方式,随着纸幅卷径的实时变化,退卷张力也会发生变化。复卷过程中,随着退纸辊上纸幅被卷曲到成品纸卷上,退纸辊上纸幅卷径越来越小,而退卷线速度(v(t)=ω(t)×R(t),ω(t)为退纸辊电机角速度,R(t)为退纸辊上纸幅半径)保持不变,故需要对纸幅卷径进行补偿。这些说明退卷张力控制系统是线速度跟随系统,应保持前后底辊和退纸辊速度差恒定，当纸幅卷径变化时改变退纸辊转速，以实现线速度恒定。根据卷取顺序,对退卷张力控制系统的要求分为以下几个方面[1-2]：

(1)先引纸,此时前后底辊及退纸辊都低速运行,且前后底辊的速度略大于退纸辊速度,退纸辊处于正向电动低速运行状态,保持一定的拖动张力。

(2)引纸后,需将纸幅拉直,保持一定的静张力,此时前后底辊停止,退纸辊处于投张状态,此时退纸辊应是反向电动低速运行状态,直至纸幅被拉平。

(3)开始卷取,给定前后底辊速度,前后底辊之间进行负荷分配,使复卷机稳定运行,进行纸幅卷取。复卷开始和结束时分别会有一个加减速过程,为了防止退卷张力突变,必须进行S形曲线给定并设定加减速时间,使退卷张力变化平滑。

(4)成品纸卷的形态需内紧外松,当成品纸卷直径达到一定大小时,应适当减小退卷张力,以调整纸卷的硬度。

复卷过程中,退纸辊电机正常工作时处于制动发电状态,有时也会处于电动引纸状态,且退纸辊线速度要跟随前后底辊,退纸辊上纸幅卷径的时变性以及外环境的扰动,使得对退卷张力控制的难度增大。

对退卷张力的控制要求即使给定等于实际,不同工况下对退卷张力的要求也不同。不管基于何种工况，所设计的电控系统需满足上述4点控制要求,避免出现纸幅断裂、折叠等问题,才能卷取出符合要求的高品质成品纸卷。

2退卷张力控制方案

退纸辊上纸幅卷径D的时变性会导致退卷张力F和退纸辊线速度v的时变性,所以退卷过程是动态过程。分析此动态过程可先从复卷机稳定工作时入手,再分析动态情况,以便对退纸辊进行控制。

复卷机稳定工作时,给定后底辊速度,作为整个系统稳定运行时的基准速度,而退纸辊电机工作在制动发电状态,退纸辊与前后底辊之间保持一定的速度差,使纸幅具有一定的张力。预设一个退卷张力作为复卷机稳定工作时的张力给定,可列出以下公式：

(1)

TF=CTΦID

(2)

由式(1)和式(2)可得：

(3)

式中,TF为制动力矩,F为退卷张力,ID为制动电流,CT为电机转矩常数,Φ为电机磁通。一般情况下,电机的CT与Φ为固定值。由式(3)可知,只需使制动电流ID按照退纸辊上纸幅卷径D的变化线性控制,便可使退卷张力恒定。

以上讨论只考虑在复卷机稳速运行状态下对退卷张力的控制,实际运行中常需对复卷机进行加速或减速。加速或减速过程中会导致退卷张力的变化,仅通过张力调节器调节无法使退卷张力恒定,导致纸幅断纸或褶皱。动态补偿指在复卷机加速或减速过程中对退纸辊电机附加动态转矩T动态,见式(4)～式(7)。

(4)

(5)

(6)

(7)

式中，T为电机电磁力矩,T0为电机空载力矩,J为总转动惯量，JM为辊轴转动惯量,JP为纸卷转动惯量,ρ为纸卷密度,b为纸卷宽度,d为辊芯半径,R为纸卷半径。以上讨论的控制方式都是针对退纸辊电机。由式(7)可知,只要检测退纸辊上纸幅卷径D和退纸辊线速度变化率dv/dt等动态变量,就可计算出需要补偿的动态转矩T动态。复卷机加速和减速时,分别对退纸辊电机附加一个负的动态转矩和正的动态转矩,以补偿电机的转动惯量,保持退卷张力恒定[2]。

以上对退卷张力的控制方式为间接张力控制。间接张力控制作为一个大调节,基本可以完成低要求下对退卷张力的控制,但无法达到很高的精度,因此，还需对退卷张力进行直接张力控制。

直接张力控制是一种反馈控制,即通过张力传感器检测出实时退卷张力,并将此检测值与给定值进行比较,偏差进入PID控制器,输出退纸辊电机制动电流的微调量。直接张力控制与间接张力控制共同作用,可得到实时状态下退纸辊电机的制动电流。选用的张力传感器为ABB公司的PFTL101型张力传感器,因传感器感应电压较小,需对信号进行放大、整流和滤波处理。采用张力控制板(型号为ABB公司PFTA101)对信号进行放大,输出标准的DC5V信号。

张力传感器采集的信号通过张力控制板后输出, 5 V的信号对应400 N/m的纸幅退卷张力。使用可编程罗辑控制器(PLC)的模拟量输入信号模块以采集电压信号并将此模拟量信号转换成数字量信号,以进入PLC中数据处理和运算程序块中。PID控制器根据采集来的反馈进行运算,得出退卷张力输出值。退卷张力间接张力控制与直接张力控制共同作用于退纸辊电机，以达到对退卷张力的精确控制[3]。

采用逆变器对退纸辊电机进行控制时,在控制好退纸辊电机制动电流的情况下,使退纸辊角速度随着纸幅卷径的减小而增大。调速系统的性能取决于对电机转矩控制的质量。直接转矩控制方式采用定子磁场定向方式,对定子电流磁链和电磁转矩进行直接控制,控制结构简单,转矩控制效果好。直接转矩控制方式在复卷机交流传动控制中起着不可取代的作用,其系统控制框图如图2所示。

直接转矩控制方式是在定子坐标系下建立交流电机的数学模型,采用磁链控制器与转矩控制器分别直接控制电机的磁链和转矩,它区别于复杂的转子磁链

图2　直接转矩控制系统框图

定向方式。与模仿直流电机转矩控制方式的电机转子磁链分解方式比较,直接转矩控制方式对转矩的控制相对简单且响应迅速。直接转矩控制具体实施方式为：通过定子磁链观测器检测出电机的瞬时转矩和瞬时磁链并作为反馈,采用转矩和磁链两位式调节器把转矩检测值和磁链值分别与各自的给定值进行比较,脉冲优化选择器根据转矩调节器和磁链调节器的输出结果来对其内部脉冲开关做出最佳调节,把转矩和磁链波动限制在规定的允许误差范围内[4]。

逆变器接受PLC的信号给定，然后去控制退纸辊电机，以使电机达到相应控制目标。开始复卷前，需设定复卷过程不同阶段的退卷张力值,该值通过操作屏输入给定,包括：静张力、引纸张力、运行张力等。利用带有脉冲编码器的逆变器检测退纸辊电机的实时电流与转速等, PLC读取这些数据并保存。操作屏通过与PLC组态将这些数据显示在操作屏上。

3硬件选型

3.1原始数据

在设计复卷机退卷张力控制系统前,应掌握与该设计相关的基本数据,包括：退卷纸幅的宽度L、原纸卷的最大直径dmax、退纸辊直径dmin、成品纸卷最大直径Dmax、纸幅单位张力Z、车速(纸幅线速度)v、退卷张力F、纸幅卷径D及加、减速时间等。

3.2退纸辊电机选型

复卷机主传动的选型需考虑电机的调速范围、功率、力矩是否满足要求并实现性价比最优。复卷过程中,退纸辊上纸幅卷径变化范围大会导致退纸辊电机转速变化范围大,即要求退纸辊电机调速范围宽。退纸辊电机传动功率范围受所需纸张的退卷张力、退纸辊的转动惯量及电机加速和减速的影响。对电机选型时还应考虑电机转矩范围,即要求电机转矩在电机启动及加速等不同阶段时均达到要求。

3.3硬件配置

完成退纸辊电机选型后,需对复卷机退卷张力控制系统进行硬件配置。选用PLC进行数据存储和计算,采用逆变器控制电机,通过操作屏进行数据写入与实时数据同步显示,采用现场总线通讯方式等。

复卷机稳定工作时运行在高速、动态条件下,因此，采用Profibus-DP现场总线的通讯方式以保证系统响应的快速性。操作屏选用西门子键控式操作屏OP270,该操作屏带有DP接口、以太网接口和USB接口,可方便使用键盘和鼠标对其进行操作；在操作屏上写入的速度与退卷张力预设值通过现场总线方式传输进PLC,PLC将逆变器检测的退纸辊电流与速度等传输到显示屏上,方便现场人员观测。

PLC选用西门子公司的S7-300/400系列,其作为整个退卷张力控制系统的核心,连接操作屏,接受操作屏上的数据给定；连接逆变器,给逆变器控制指令,读取并保存逆变器检测的电机状态参数值。PLC最重要功能是完成整个退卷张力控制系统的编程,这

图3　复卷机控制系统结构图

包括了数据给定与处理、前后底辊间的负荷分配、S形升降速、断纸检测等[6]。

3.4系统结构

复卷机电控系统采用交流变频传动方式,配置公共直流母线结构给3个主传动逆变器供电。供电单元装置及逆变单元装置均选用西门子公司产品。供电单元完成直流供电及将退纸辊电机制动时产生的能量回馈电网。逆变单元装置主要控制方式为直接转矩控制。复卷机稳定工作时,控制退纸辊的逆变器处于整流工作状态,将退纸辊电机制动产生的能量回馈到直流母线上,此时若控制前后底辊的逆变器处于逆变工作状态,可从直流母线上获取电能。采用公共直流母线结构的交流传动方式可将原本需通过能耗制动装置消耗的电能用于驱动其他电机或回馈到电网,有效抑制了过流和过压故障的发生,同时节约能量、提高复卷机运行效率。

退卷张力控制系统的控制方式采用三级控制(见图3),执行单元为西门子6SE70逆变器；PLC作为控制核心,此外，需选用ET200起到对远程I/O的控制(用于圆刀等传动设备)；上位机为OP270操作屏，其可作为人机界面。PLC、逆变器及OP270操作屏等通过PROFIBUS-DP通讯方式构成局域网络[7]。

4软件设计

4.1编程思路

PLC需通过编程以实现由数据给定到控制实现：操作屏上输入的数值经过一系列过程成为确定的退纸辊电机参数值,如制动电流、转矩等。

编程采用软件模块化编程的方式，该编程便于修改,普适性强。编程软件为Step7,编程时需编写功能程序,确定数据存储位置,预设部分参数值并规定数据调用方式。退卷张力控制系统运行时,执行的主循环中调用功能块和数据块,以实现相应控制；每个功能块对应退卷张力控制过程需求的不同功能,共同实现对退卷张力的控制[8]。

退卷张力控制的流程图见图4。其中，数据处理是控制流程的核心,包括退卷张力限幅功能、尺度变换功能及控制算法等。数据处理的结果作为逆变器的控制指令信号,使逆变器控制退纸辊电机,达到复卷要求。软件编程步骤如下：

图4　退卷张力控制流程图

(1)编程实现对给定的特定工况下的退卷张力进行滤波,运行张力需要滤波,而静张力不需要滤波。

(2)编写张力斜坡程序,使退卷张力曲线平滑。为避免复卷过程中的急停等突发情况,要在操作屏上显示加减速时间,以随时对加减速时间进行设定与调节。编写退纸辊电机转矩动态补偿程序,满足加速或减速情况下退纸辊电机转矩的要求。

(3)编程实现对退卷张力进行限幅,根据特定工控下的纸幅卷径,确定退纸辊电机输出转矩,使退卷张力符合规定的要求。

(4)通过组态方式使操作屏显示纸幅卷径。

(5)若复卷现场安装有张力传感器,主程序中需调用PID功能模块并对其参数赋值,以实现直接张力控制,或直接与间接张力控制相结合。

尺度变换功能模块的作用是使写入的数据能够让调速装置接受。速度给定模块的功能是使操作屏上给定的速度能够传给逆变器。速度给定模块功能应包括对电机速度进行限幅与校正,并预设不同工况下的速度参考值,如引纸速度为15 r/min；调速装置内部若没有集成积分器或S形函数,则电机转速上升或下降不平滑,需编写S形曲线速度给定程序。

对现场逻辑开关的处理至关重要,逻辑控制功能块可使操作按钮与机器对应的操作相匹配。现场设立的单动/联动、运行、急停等操作按钮可方便工作人员操作。编程处理好现场逻辑关系是复卷机正常运行的基础。

4.2软件组态

使用Step7编程时,必须选定通讯方式,确定PLC的具体型号以及连接的调速装置等。此外,操作屏需与PLC进行组态,采用Wincc Flexible软件对显示画面进行编程,进入编辑界面后,选择Step7编程软件与之组态。操作屏与PLC建立连接后,可通过Wincc Flexible软件给变量赋值,建立描述画面等。需要注意的是,操作屏与PLC建立连接后,画面编程软件中的变量地址需与PLC中该变量地址一致。

5结束语

作为交流传动方式下的复卷机退卷张力自动控制系统,其优势体现在编程灵活、运行快速可靠,展现出高动态、高精度的调速特性。触摸屏作为人性化的操作界面,具有操作方便、高效实用的特点,使复卷机工作时的运行状况一目了然。该系统运用于高速复卷机的复卷过程,能够有效节约能量,提高运行效率。

参考文献

[1]孟彦京, 陈卓. 复卷机退纸辊转动惯量补偿问题的分析[J]. 中国造纸学报, 2009, 24(2)： 89.

[2]康家玉, 王孟效, 米林安. 交流复卷机退纸辊的控制策略[J]. 中国造纸, 2007, 26(10)： 29.

[3]李天利. 多传动的交流复卷机电气控制[J]. 中国造纸, 2007, 26(3)： 39.

[4]张勇军, 潘月斗, 李华德. 现代交流调速系统[M]. 北京： 机械工业出版社, 2014.

[5]景兵辉, 孟彦京. 复卷机传动控制系统方案选择与分析比较[J]. 中国造纸, 2012, 31(10)： 54.

[6]郭艳萍, 陈相志. 高速复卷机控制系统的研究与实现[J]. 制造业自动化, 2012(1)： 26.

[7]王红艳, 陈景文. 高速复卷机电控系统的设计[J]. 纸和造纸, 2014(2): 12.

[8]陈亮. PLC控制的复卷机调速系统[J]. 科技创新与应用, 2014(15)： 49.

(责任编辑：陈丽卿)

Design of Unwinding Tension Auto-control System of Rewinder

GAO Guang-di*KANG Jia-yu

(CollegeofElectrical&InformationEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021) (*E-mail: ggd0310@163.com)

Abstract：Aiming to the widely used AC drive mode, based on the analysis of the effect of unwinding web tension on the paper quality and reasonable selection of control scheme, the design of hardware and software for the rewinder unwinding web tension control system was presented. The hardware part was able to rationally control the flow of energy to achieve energy savings thanks to the use of a common DC bus structure; modular programming was used for the back roller control which was with universal property. The system could be used in practice very well, it could also be applied to various unwinding web tension control with appropriate modification.

Keywords：rewinding machine； unwinding tension； AC drive； common DC bus

中图分类号：TS734+.7

文献标识码：A

文章编号：1000- 6842(2016)01- 0052- 05

作者简介：高光荻,男,1990年生；在读硕士研究生,主要研究方向：复卷机控制系统研究与设计。

收稿日期：2015- 05- 01

E-mail:ggd0310@163.com