张力控制

张力控制

1 引言

在传统的印刷机控制中，张力控制采用磁粉离合器和张力控制器来实现，但这种控制形式存在以下问题:(1)调节速度不快，难以在高速印刷机上应用;(2)张力控制精度不高;(3)印刷机上各张力段彼此独立，难以实现自动控制;(4)磁粉离合器存在发热和磨损问题，维修困难。

为解决以上问题，我们开发了一种变频器传动的印刷机张力控制系统，将印刷机的放卷、前牵引、印刷主轴、后牵引和收卷辊分别由单独的变频器拖动，通过控制各段传动辊的线速度，实现张力的高精度控制。

2 工艺介绍

在印刷机中，印刷材料经过放卷、前牵引、各套色印刷辊、后牵引和收卷完成整个印刷过程，由于各传动辊的线速度差异，因此在各传动辊间产生张力，在印刷工艺中要求对各段张力进行严格的控制，尤其对有光电对版的高速机种，各段张力的控制精度要求在±1%以内。

3 控制系统结构

本系统主要由人机界面、PLC、矢量变频器、编码器和摆辊式张力检测机构组成，系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

人机界面(HMI)采用台达10寸彩色屏，通过它可以在线显示设备运行状况、设定设备各项参数并打印生产报表;PLC选用FAMA SC-500，在系统中用两台PLC 是兼顾速度和可靠性的考虑，一台用作设备的张力控制、另一台作设备I/O控制;传动采用台达V系列矢量型变频器，安装在传动轴上的编码器将脉冲信号回馈到变频器的PG卡中，形成速度闭环，使整体速度精度控制在在3‰以内;在本系统中，人机界面与PLC、PLC与各变频器之间通过RS485通讯连接，提高系统的抗干扰能力。

4 控制原理

在高速印刷机控制中，对各段张力的控制不仅要求有高精度，而且要求有很高的速度响应性，如用传统的PID控制，在印刷机加(减)速时，前级传动轴先加(减)速，后级轴后加(减)速，速度差Δv造成张力Δf的变化，设备速度变化越快，Δv越大，Δf也越大，该Δf加到PID环后会出现张力超调甚至震荡，如调节P.I.D参数避免张力超调，系统的响应速度会变慢，因此该方法很难满足要求，如简单的采用同步控制，虽然可以解决张力突变问题，但该方式为张力开环控制，如果出现前级传动轴快与后级传动轴慢时，张力会变得越来越大，反之张力越来越小，产生传动速度的误差积累问题，无法自动调节，因此，本系统采用以上两种的结合，见图2所示。

图2 张力控制原理图

在本控制系统中，由变频器和编码器组成速度控制内环，PLC、张力传感器

组成张力外环，实现对张力的串级控制;同时将测算出的放卷辊输出线速度，换算成转速后加到放卷辊后各传动辊的速度环上，作为速度的初始给定，这样，在进行张力调节之前，各传动辊间线速度基本同步，此时各传动辊间速度误差在1%以内，张力误差在3%以内(实测值)，然后通过张力串级调节进一步提高张力控制精度。

4.1 放卷线控制

放卷辊为印刷机各传动辊的第一级，其它各辊速度跟随放卷辊，在本系统中，人机界面设定设备的运行线速度，通过测量放卷辊的半径，可计算出卷辊的转速;具体办法为:PLC测量放卷辊上安装的编码器，每到一定角度(例如600)产生一次中断，此时测量材料走过的距离L，则R=6L/2Π,放卷转速为:n=l/2ΠR。l为设定的设备运行速度。

4.2 速度同步控制

在本系统中，为保证各传动辊之间的线速度基本同步，需对各传动辊的驱动单元进行速度初给定，初给定的速度以放卷辊为基准。设备的运行速度在人机界面中设定，通过PLC计算后，换算成各变频器运行的频率，经PLC上的RS485口给各辊驱动变频器。考虑到各变频器的加减速及传动机构的特性很难一致，故需对除放卷辊外其它变频器的速度初给定作一调整，即实际给定速度V=KV0,V0为计算速度，K为修正系数，实际调试中发现对每段传动K值并不为恒定的，后对设备在加速、均速和减速状态下分别修正不同的K值，在不加张力控制时，各传动辊的速度偏差可控制在0.8%以内。

4.3 张力控制

各段张力的设定在人机界面中进行，设定张力由PLC计算，经D/A模块送电气转换装置，转换成气信号后给摆辊气缸，当印刷材料张力大于设定值时，摆辊上移，反之下降，同时送出电压信号给PLC。

各段传动经过速度初给定后，线速度偏差不大，因此张力偏差信号较小，该信号经PLC PID运算处理后叠加到速度初给定上，控制变频器输出，通过控制速度实现张力控制。

5 调试

实际调试中，先对速度同步环节进行调试，此时切除张力控制部分，当各辊的线速度同步误差在1%以下时，再加入张力控制部分，张力调试先单段进行，冲前向后依次调试，最后再进行系统连调。

6 结论

在实际应用中，当印刷机速度在200m/min时，张力控制精度可达0.9%,满足设备工艺要求。

参考文献

[1] 过程控制工程手册[M].北京:化学工业出版社,1993.

[2] 李平等.造纸机的微机过程控制系统[J] 轻工自动化及仪表,