控制网

　　李方园（1973-）男，浙江舟山人，毕业于浙江大学电气自动化专业，高级工程师，长期从事于变频器等现代工控产品的应用与研究工作。

　　摘要：在工业生产的很多行业中，都需要进行精确的张力控制，保持张力的恒定，以提高产品质量。这些行业如造纸、包装、印刷、染整、线缆、纤维、橡胶等片材、线材和带材的加工和制造。本文介绍了典型的张力控制系统、张力传感器以及变频系统的构建。最后以TD3300和SAMCO-VM05为例介绍了应用的具体场合和参数设置。

　　关键词：变频器；张力控制；收卷；放卷
　
　　Abstract: Many industries should make the accurate tension control in order to make the constant tension and the good quality in the paper making, package, printing, and so on. This paper will describe the representative tension control system, tension  transmitter and construction of AC inverter. Finally TD3300 and SAMCO-VM05 are introduced for the detailed application and parameter setting.

　　Key words: AC inverter; Tensiong control; Winding; Unwinding

　　在工业生产的很多行业中，都需要进行精确的张力控制，保持张力的恒定，以提高产品质量。这些行业如造纸、包装、印刷、染整、线缆、纤维、橡胶等片材、线材和带材的加工和制造。从行业的发展趋势看，张力系统在很多应用领域中是控制产品质量和生产效率的重要因素，并将得到越来越多的重视。

　　1典型的张力控制系统

图1所示为典型的张力控制收卷和放卷示意图。

　　1-电机  2-磁粉离合器  3-收卷芯  4-传动轮  5-张力检测辊

　　6-荷重传感器  7-放卷芯  8-磁粉制动器  9-自动张力控制仪  10-控制器

图1   张力控制收卷和放卷示意图

　　张力控制系统，其基本元件包括张力控制器，离合器及制动器。张力控制可以分成手动控制和自动控制。手动控制器即稳流电流是依收料或出料的变化而分阶段手动调整离合器或制动器的激磁电流，从而获得一致的张力。自动张力控制器由张力传感器检测张力，控制器把张力数据处理后再去自动调整离合器或制动器的激磁电流从而控制卷绕物的张力。在放卷端，放料的张力是依设于放料组的磁粉制动器的扭矩而定。在收卷端，收料张力由磁粉离合器的传递扭矩来决定，为要保持固定的张力，须按卷径的大小来加大或减少传递扭矩。自动张力控制器是以单片机为核心的一种新型智能张力控制器，其响应速度快，控制精度高，LED数字显示张力值，手动/自动两种状态能缓冲无断点切换，使运转更加平滑;在自动状态下如卷绕物意外断裂或整机停机，该控制器能自动保持断点时的张力。

　　自动张力控制器启动后自动进入手动状态，而后如果触发手动/自动键，则自动灯亮，控制器进入自动状态。再触发则又返回到手动状态。在手动状态下，可以在额定范围内调节输出电流的大小，同时可以观察到实际张力的大小的变化。同时可以调节设定张力的张力值，当有加调节键或减调节键按下时，设定张力将改变。无论在手动状态或自动状态，如果按下存储键，则把当前的设定张力值和加载电流值保存，即使断电后，仍被存储。当系统复位或重新启动时，设定张力和输出电流将自动恢复成存储值。
　
　　2张力传感器和张力信号

　　张力传感器的功能就是能在生产过程中对片材、线材、带材及其它类似产品的张力进行在线连续测量，并能提供瞬时值。常见的张力传感器主要有以下几种：

　　2.1 承座式张力传感器

　　它是对张力直接进行检测，与机械紧密地结合在一起，没有移动部件的检测方式。通常两个传感器配对使用，将它们装在检测导辊两侧的端轴上，料带通过检测导辊施加负载，使张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张力控制器。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。缺点是不能吸收张力的峰值，机械的加减速难以处理，不容易实现高速切换卷等。因此，当处于平衡状态的张力控制系统受到较强的干扰时，系统瞬间来不及作出反应，料带上张力变化的幅度值会较大，对张力控制尽快重新进入平衡状态不利。

　　张力传感器放置在辊子的支持轴承下方，由刚性材料做成，它只对水平方向的张力起作用。当一定张力的片材通过该辊时，片材所受到的张力分成两部分（水平方向的力FR和垂直方向的力FV)。如图2a所示，设张力为T，FT为辊子和轴承的重力，α、β为片材的夹角，则

      FR＝Tx(cosβ–cosα)

      FV=Tx(sinα－sinβ)+FT

　　根据张力传感器的值FR就可以计算出该片材此时的张力值T。

　　承座式张力传感器一般是由特殊的刚性材料做成，如ABB公司PFTL101A、101B系列的传感器是由CrMoS17组成的特殊不锈钢材料做成。其工作原理通常有以下三种：

　　(1)压磁式

　　张力传感器的初级线圈和次级线圈正确通过传感器的四个孔（其中初级线圈为激励线圈，次级线圈为感应线圈）。在正常情况下（即无水平张力）初级线圈的感应磁场如图2b所示，由于孔的合理放置，次级线圈无感应电压产生。当水平张力T作用在传感器上时，初级线圈的电磁场就会产生变化，从而次级线圈就会感应出相应的电压,如图2c。一旦水平张力作用改变方向，次级线圈的电压极性也相应改变。张力传感器的激励信号为330Hz、0.5A的交流信号，张力作用的大小反映在输出信号的幅度上，张力的方向则反映在输出信号的极性上。信号放大器的作用就是先过滤为DC信号，然后通过增益运算放大器，最后可以选择适当的加法器、减法器等输出张力控制所需的纸幅A侧张力信号、B侧张力信号、A侧＋B侧的张力之和信号和A侧－B侧的张力之差信号。

　　该类型传感器通常是由两块铁板和四片弹性钢片联接组成的。四片弹性钢片用来吸收垂直方向的分力，磁性测量元件安装在中间二片钢片的当中，使测力计只对测量方向上的机械应力敏感。在测量过程中，磁弹性元件由于受机械应力的变化，将产生磁性材料的导磁性能变化。该元件是用一种经过特殊技术处理过的多片金属薄片组成。在元件上绕有两个交叉而互成垂直角度的两个线圈，在没有外界机械应力时，因为两个线圈相互垂直，故不会出现磁耦现象，即在次级线圈上不会产生感应电压。当磁性元件在测量方向上受到机械应力时即出现磁耦现象。在次级线圈上产生与机械力成正比的感应交流电压信号，通过信号处理，输出一个与机械力大小成正比的张力信号。

图2    张力传感器的测量原理和工作原理

　　a)张力分析   b)不受力时的张力传感器   c) 不受力时的张力传感器
　
　　(2) 压敏电阻

　　该传感器安装于轴承和机架之间，记录水平方向的卷筒张力，采用相应的放大器来进行全桥电压供给和测量信号的处理。放大器输出端的信号和径向作用力成比例，可用于数字显示或作为闭环回路的瞬时值。

　　如美国蒙特福T系列就属于压敏电阻型。

　　(3) 板簧式微位移张力传感器

　　承座式优点是检测范围宽，响应速度快，线性好。缺点是不能吸收张力的峰值，机械的加减速难以处理，不容易实现高速切换卷等。因此，当处于平衡状态的张力控制系统受到较强的干扰时，系统瞬间来不及作出反应，料带上张力变化的幅度值会较大，对张力控制尽快重新进入平衡状态不利。

　　如日本三菱LX-TD型属于板簧式微位移张力传感器。

　　2.2 浮辊式(DancerArm)张力检测方式

　　它是一种间接的张力检测方式，实质上是一种位置控制，当张力稳定时，料带上的张力与气缸作用力保持平衡，使浮辊处于中央位置。当张力发生变化时，张力与气缸作用力的平衡被破坏，浮辊位置会上升或下降，此时摆杆将绕M点转动并带动浮辊电位器一起转动。这样，浮辊电位器准确地检测出浮辊位置的变化，它将以位置信号反馈给张力控制器，控制器经过计算并输出控制信号，控制伺服驱动系统进行纠偏。然后浮辊恢复到原来的平衡位置。由于浮辊式张力检测装置本身是一种储能结构，利用其自身的沉余作用，对大范围的张力跳变有良好的吸收缓冲作用，同时也能减弱料卷的偏心（椭圆）以及速度变化对张力的影响。此系统要求气缸磨擦系数小，响应速度快，气源稳定。浮辊和摆杆的重量要轻，转动要灵活。

　　2.3 浮辊/反馈复合式张力检测方式

　　它可同时检测由浮辊电位器输出的浮辊位置信号和张力传感器输出的张力信号，从而可向系统提供更高精度的张力控制。其特点是：它不但具有浮辊控制对大范围张力跳变的吸收或缓冲功能，而且还对机器加、减速时有很好的缓冲平稳作用，并容易实现高速切换卷。具有张力传感器闭环控制的高精度、高重复性的特点。例如美国蒙特福(MONTALVO)公司的X/D3000型浮辊/反馈复合式张力控制装置就属于该种类型。

　　2.4 由卷径得出的张力检测方式
　
　　它是用安装在卷轴处的接近开关、检测出卷轴的转速，并通过所设定的卷轴直径初始值和材料厚度，累积计算求得收卷或放卷筒当前的直径，相应卷径的变化输出控制信号，以控制收卷转矩或放卷制动转矩，从而调整料带的张力。因为卷轴每转一圈，卷径会发生2倍于料带厚度的变化。此种张力控制不受外界剌激的影响，能实行稳定的张力控制。

　　3 张力控制与变频

　　3.1 张力控制原理

　　以造纸机的张力控制为例，在图3a的张力控制示意图中，传动电机M的张力实际值是位于它前面的张力传感器的实际值。通过检测该处的张力情况，来控制传动电机M的速度，从而形成一个张力闭环。电机M的速度加快，则纸幅拉紧，张力的实际值就会上升；相反，速度降低，则纸幅松垂，张力的实际值就下降。

图3  张力控制示意图

　　a)造纸机张力控制                         b)张力控制原理

　　在这里，纸幅张力的设定值为T设定，实际值为T实际，经过张力控制器(T-控制)的PID调节器后，再乘以3％的偏移量，做为该传动点速度设定值的一个组成部分。原来传动的速度设定值(V设定)加上该组成部分，就是速度环(V-控制)的输入值，然后即可进行速度控制。在这里设置3％偏移量的目的就是通过传动速度的改变而使张力得到有效的控制。

　　在图3b的张力控制原理中，T-控制就是张力控制模块的实现，包括自动和手动方式两种来进行。张力控制模块投运前需先检测判定现在的张力实际值是否在可投运的范围之内，否则就不能投运，此时按手动投运按钮或自动投运信号为“1”时，即进入张力控制模块的循环中。张力PID模块的退出，它的条件为相关部位检测到断纸信号或按手动退出按钮。

　　3.2 张力控制软件流程

　　这里以某一点的张力控制为例，采用PLC语言进行编程进行张力软件的设计，其示意如图4所示。由此可以推广到多点张力控制中去。

　　(1) 读取张力设定值

　　张力设定值的输入可从工艺控制台上进行，并可通过脉冲开关的动作对设定值微调，以符合实际纸幅稳定运行的需要。

　　(2) 读取张力实际值
　
　　张力实际值的产生是从PLC的模拟量板中获取的，调用相应的功能块程序。本过程读取张力的模拟量值后，在输出端得到标准化的量值，并可通过“高限”和“低限”参数来设置量程。从模拟量输入板读出的模拟量值首先是变换为右边对齐的定点数（以标称范围为基础)。

　　(3) 张力控制投入判断

　　张力控制是否投入取决于工艺的需要和纸幅是否已经上卷、纸幅是否断裂，在其它逻辑块中进行手动按钮投入或自动信号投入的设定，以及自动退出。因此这里需要判断张力控制是否投入，如已投入，则进入张力PID控制模块，否则就只是显示数值和信息，不进行控制。

　　(4) 张力PID控制模块
　　
　　张力PID控制模块可以调用标准的功能块，以执行闭环控制系统。PID算法是在特殊的时间采样分隔下调用的，并产生操作变量，采样间隔时间越短观察得越精确，控制器完成任务就越精密。因此，在接口数据块中指定的控制参数必须适应于采样周期。

　　(5) 显示张力设定实际值

　　负责将张力的设定值和实际值显示在工艺控制台上。

　　(6) 分析效果信息提示

　　在软件设计中，应该对张力系统的实际运行效果进行分析并提示信息：（A）断纸状态时，如果检测到某点的张力实际值与基准零点的偏差值过高则显示“张力零点偏移”，出现该情况的可能有张力传感器检测故障、张力信号放大器零位漂移、轴承支座卡死等；（B）正常出纸时，张力瞬时实际值超过设定值过高，达到设定值的2倍以上时，此时提示“张力实际值HH”，出现该情况将预示该处纸幅紧度过高将引起断纸；（C）正常出纸时，张力控制器的输出值振幅过宽，此时提示“张力控制输出值HH”，出现该情况表明纸幅纵向波动大，需对多点的速度值进行调整。

图4   张力控制软件流程图

　　在某纸厂的多点纸幅张力控制中，选取其中的一点进行测试（如图5）。横坐标为时间，纵坐标为张力实际值的百分比。以断纸时间开始（0S），一直处于纸幅断裂状态，则张力实际值一直为“0”；从44S开始进行引纸，随着纸幅从半幅到全幅，张力实际值也逐渐快速上升并呈不规则波动；在98S时，进行张力控制模块的投运，因为是PID控制，先出现明显的超调和震荡，然后超调量减少，最后张力的实际输出值慢慢接近设定值（67%）。当然，选取合适的参数值甚至再增加合适的回路，将会进一步减少超调量和震荡周期，使纸幅的张力值稳定在允许的范围之内。

图5   张力控制效果

　　4 中心收卷和张力控制

　　4.1 中心收卷的概念

　　卷取是一种常见的控制系统，广泛应用于造纸、印刷、染织等生产过程中的后续工作，以制成半成品或成品卷筒物。卷取的方式常见的有2种：即摩擦卷取和中心卷取。前者对机械的要求复杂，而且卷取的效果受摩擦辊的影响很大，包括物料的光泽度、端面情况、松紧度等都会在卷取工艺中变差。后者在机械程度上很简单，卷取时只受到自重的影响，卷取的效果自然好许多，然而长期以来中心卷取的控制系统只能在直流控制或磁粉控制二者中进行选择，控制的成本很难降低。

　　在中心卷取中最常用的是以下2种控制方式：(1)速度控制卷取(SPW)，用PID通过测力传感器的张力反馈，或调节辊的位置反馈，来修正速度给定；(2)电流控制卷取(CPW)，用PID调节张力给定，这一类型的控制一般是开环的。

　　对如此复杂的张力控制系统，变频技术必须克服以下4个技术问题：(1)将复杂的交流异步电机的数学模型简单化；(2)考虑到张力反馈信号的延后和超调；(3)将卷绕张力控制过程的动态参数描述成时变函数；(4)保证张力或转矩闭环的抗波动能力高和即时调节性好。

　　通常情况下，具有张力控制的变频控制系统，是建立在对变频器、电机和张力对象的数学模型研究的基础上，它包括：(1)Ud～Id之间的传递函数；(2)Id～M之间的传递函数；(3)转矩M～转速n之间的传递函数；(4)控制电压Uk～变频器输出电压Ud之间的传递函数；(5)物料张力的动态数学模型。在一般情况下，张力专用的变频器由直径、转矩补偿和速度计算等模块组成。

　　4.2 张力专用变频器

　　作为丝线、布匹、纸张之类的卷绕装置而应用了形形色色的方式，但在本产品所配备的卷绕控制功能，将不再需PLC及昂贵的矢量变频器或是转矩电机等，就能构筑成廉价的卷绕系统。其基本构成情况如图6的卷绕系统所示那样，把两台或两台以上的变频器直接连接，把张力架的张力予以反馈并设定好卷绕功能，即能实现各种丰富多彩的卷绕控制。

图6   张力专用变频器的卷绕应用

　　功能完善的张力专用变频器，整合了绝大多数张力控制器的特点，能够取代张力控制器，专用程序控制器、伺服控制器和力矩电机等设备；实现高可靠性的精确控制，满足用户各种卷绕要求，从而为用户提供并构筑低成本、高性能的卷绕控制系统。

　　4.3 TD3300张力专用变频器

　　TD3300张力控制专用变频器是艾默生网络能源有限公司的最新产品，它具有TD3000矢量变频器的所有高性能，同时又可实现张力闭环控制和张力开环控制，以满足各种卷取要求。

　　TD3300变频器具有卷取控制的各种功能：(1)各种卷径的计算，包括线速度计算、绕圈计算、模拟设定、上位机给定等；(2)卷径模拟输出，实现人机友好交互功能；(3)多种线速度测量方式，包括脉冲输入、模拟输入、数字输入等；(4)实现张力锥度的设定；(5)实现转矩补偿的功能，如弯曲力矩补偿、静态力矩补偿、惯性力矩补偿等；(6)具有自动换卷逻辑功能，实现在线换卷功能。

　　TD3300张力控制变频器共有4种张力控制方式，包括张力闭环控制（需要张力传感器、增加成本、控制精度最高）、间接张力控制一（需要卷径传感器、增加成本、控制精度较高）、间接张力控制二（成本较低、控制精度较高）、间接张力控制三（成本较低、控制精度差）。此四种方案的配置主要是考虑系统的张力控制精度要求、系统的成本要求等，用户可以根据实际情况决定采用哪种张力控制方式。

　　4种控制方式具体的原理和应用如下：

　　(1) 张力闭环控制  对于张力控制精度要求较高的场合，如轧卷染色机，它需要通过张力检测辊的输出张力信号来构成张力闭环控制，对于变频器来说采用速度控制方案和PID闭环控制。

　　(2) 间接张力控制  它通过卷径传感器测量的卷径模拟信号进入变频器的模拟输入口，而变频器则根据测量的卷径进行张力控制。这里，卷径是通过测量而不是通过计算而得，因此张力控制的精度相对较高。

　　(3) 间接张力控制  在线速度可以检测的场合，可以采用此法，通过检测到的线速度及电机角速度计算卷径，从而控制张力。通常应用在如干式复合机、拉幅定型机等收卷系统中。
　
　　(4) 间接张力控制  当对张力的控制精度要求不高，卷绕的厚度已知且变化不频繁的情况下，可以采用厚度累积法计算卷径，实现间接张力控制。

　　图7所示为TD3300变频器在某干式复合机收卷系统中的配置原理，这里选用了经济而实用的间接张力控制二，即卷径采用模拟量输入线速度计算法的方案。由于收卷电机的前级为复合辊电机，也为变频器控制，它能通过模拟量口输出0~10V或4~20mA信号，与线速度成比例，即0V为0速，10V为最高线速度。因此，通过此信号，张力变频器TD3300就能正确地计算出卷径信号（D＝S×V/N公式具体见下），从而利用变化的卷径开环控制转矩输出值来保持恒张力控制。

　　在该方案中，复合辊电机的线速度通过AI3口进入变频器TD3300，张力设定值（零速张力设定和正常张力设定）通过高精度电位器输入到AI1、AI2口。在输入端子功能中，包括启动停止命令、卷径复位命令、PG接口；在输出端子功能中，包括直径数字显示、张力数字显示、故障灯指示、卷径达到指示。

　　本系统中卷径的计算公式如下：D＝S×V/N（D为卷径，S为定常系数，V为检测到的线速度，N为收卷电机的实际运行转速）。为保证卷径计算的准确性，必须注意：

　　V的准确性因为AI3输入的0－10V信号对应于0－卷取控制时的最高线速度，因此必须准确求出该最高线速度值。

　　N的准确性N的准确性来源于PG编码器的信号和收卷电机减速器的传动比，因此根据PG和减速器的铭牌正确输入参数至关重要。

　　卷径计算滤波时间为保证在加减速和零速时正确地计算卷径，必须尽可能延长卷径计算滤波时间，一般取5S为宜。

图7   TD3300变频器收卷应用配置图

　　这里设定张力的数值有2个，即零速张力和正常张力，前者是零速绷紧的设定张力，后者是正常收卷中的张力。前者的目的是保持薄膜卷在低速运转或停止时，变频器停止卷径计算，按照零速设定张力进行作用，目的是为了保证张力的恒定。张力的信号通过模拟电位器输入到变频器，是一种简单而实用的办法，能让操作者根据不同的材质、不同的幅宽正常设置。

　　当然，这里还需涉及到张力锥度系数的设定和张力补偿的问题。锥度系数是用于修正卷绕过程中由于卷径变化的张力，避免卷筒内松外紧的现象，其计算公式如下：F＝F0×（1－K×（1－D0/D））。F为实际张力，F0为设定张力，K为张力锥度系数，D0为初始卷径，D为卷径。张力补偿包括静态补偿和动态补偿2种，静态补偿主要是摩擦力补偿，动态补偿则考虑到由于卷径的转动惯量随D的增大而增大的影响。

　　为保证操作者的正常使用，TD3300变频器具有直径信号、张力信号模拟量输出值，因此可以方便地外接数显表来实时显示。同时卷径达到指示方便操纵者换卷和卷径复位。

　　4.4 SAMCO-VM05卷绕专用变频器

　　SAMCO-VM05卷绕专用变频器是三垦公司推出的代表性产品，它可以适用于下述系统：

　　(1) 拉丝机的卷绕装置；

　　(2) 纸、布、塑料薄膜等的摩擦辊方式卷绕装置；

　　(3) 非联动的多台送卷机；

　　(4) 绞线机；

　　(5) 低张力的恒速卷绕机。
　
　　SAMCO-VM05的卷绕功能可以分三种，具体如表1所示。

表1   SAMCO-VM05的卷绕功能示意表

　　SAMCO-VM05在印花机系统中（图8），各种颜色的印花过程当中，细长物的移动暂时停止下来，这时在末端的卷绕部分，若无任何补正，细长物也会产生很大的速度变化。通常在定速的卷绕情况下一般使用摩擦辊，但在此情况下在卷绕装置的前段需要根据速度变化而吸收张力变化的张力架。而且在细长物完全停止的状态下，会有超过张力架的移动范围的情况，所以有必要使卷绕侧的速度可变。

图8   SAMCO-VM05的印花机应用    

　　参考文献

　　[1] 李方园.变频器行业应用实践[M]. 北京:中国电力出版社.2006.

　　[2] 李方园.变频器自动化工程实践[M]. 北京:电子工业出版社.2007.

　　[3] 张燕宾,胡纲衡,唐瑞球.使用变频调速技术培训教程[M]. 北京:机械工业出版社. 2004.

　　[4] 吴忠智,吴加林.变频器应用手册(第2版)[M]. 北京:机械工业出版社.2003.

　　[5] 吴忠智,黄立培,吴加林.调速用变频器及配套设备选用指南[M]. 北京:机械工业出版社.2002.