李方園（1973-）男，浙江舟山人，畢業(yè)于浙江大學(xué)電氣自動化專業(yè)，高級工程師，長期從事于變頻器等現(xiàn)代工控產(chǎn)品的應(yīng)用與研究工作。

　　摘要：在工業(yè)生產(chǎn)的很多行業(yè)中，都需要進(jìn)行精確的張力控制，保持張力的恒定，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。這些行業(yè)如造紙、包裝、印刷、染整、線纜、纖維、橡膠等片材、線材和帶材的加工和制造。本文介紹了典型的張力控制系統(tǒng)、張力傳感器以及變頻系統(tǒng)的構(gòu)建。最后以TD3300和SAMCO-VM05為例介紹了應(yīng)用的具體場合和參數(shù)設(shè)置。

　　關(guān)鍵詞：變頻器；張力控制；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

　　在工業(yè)生產(chǎn)的很多行業(yè)中，都需要進(jìn)行精確的張力控制，保持張力的恒定，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。這些行業(yè)如造紙、包裝、印刷、染整、線纜、纖維、橡膠等片材、線材和帶材的加工和制造。從行業(yè)的發(fā)展趨勢看，張力系統(tǒng)在很多應(yīng)用領(lǐng)域中是控制產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要因素，并將得到越來越多的重視。

　　1典型的張力控制系統(tǒng)

圖1所示為典型的張力控制收卷和放卷示意圖。

　　1-電機(jī)  2-磁粉離合器  3-收卷芯  4-傳動輪  5-張力檢測輥

　　6-荷重傳感器  7-放卷芯  8-磁粉制動器  9-自動張力控制儀  10-控制器

圖1   張力控制收卷和放卷示意圖

　　張力控制系統(tǒng)，其基本元件包括張力控制器，離合器及制動器。張力控制可以分成手動控制和自動控制。手動控制器即穩(wěn)流電流是依收料或出料的變化而分階段手動調(diào)整離合器或制動器的激磁電流，從而獲得一致的張力。自動張力控制器由張力傳感器檢測張力，控制器把張力數(shù)據(jù)處理后再去自動調(diào)整離合器或制動器的激磁電流從而控制卷繞物的張力。在放卷端，放料的張力是依設(shè)于放料組的磁粉制動器的扭矩而定。在收卷端，收料張力由磁粉離合器的傳遞扭矩來決定，為要保持固定的張力，須按卷徑的大小來加大或減少傳遞扭矩。自動張力控制器是以單片機(jī)為核心的一種新型智能張力控制器，其響應(yīng)速度快，控制精度高，LED數(shù)字顯示張力值，手動/自動兩種狀態(tài)能緩沖無斷點(diǎn)切換，使運(yùn)轉(zhuǎn)更加平滑;在自動狀態(tài)下如卷繞物意外斷裂或整機(jī)停機(jī)，該控制器能自動保持?jǐn)帱c(diǎn)時(shí)的張力。

　　自動張力控制器啟動后自動進(jìn)入手動狀態(tài)，而后如果觸發(fā)手動/自動鍵，則自動燈亮，控制器進(jìn)入自動狀態(tài)。再觸發(fā)則又返回到手動狀態(tài)。在手動狀態(tài)下，可以在額定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電流的大小，同時(shí)可以觀察到實(shí)際張力的大小的變化。同時(shí)可以調(diào)節(jié)設(shè)定張力的張力值，當(dāng)有加調(diào)節(jié)鍵或減調(diào)節(jié)鍵按下時(shí)，設(shè)定張力將改變。無論在手動狀態(tài)或自動狀態(tài)，如果按下存儲鍵，則把當(dāng)前的設(shè)定張力值和加載電流值保存，即使斷電后，仍被存儲。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位或重新啟動時(shí)，設(shè)定張力和輸出電流將自動恢復(fù)成存儲值。
　
　　2張力傳感器和張力信號

　　張力傳感器的功能就是能在生產(chǎn)過程中對片材、線材、帶材及其它類似產(chǎn)品的張力進(jìn)行在線連續(xù)測量，并能提供瞬時(shí)值。常見的張力傳感器主要有以下幾種：

　　2.1 承座式張力傳感器

　　它是對張力直接進(jìn)行檢測，與機(jī)械緊密地結(jié)合在一起，沒有移動部件的檢測方式。通常兩個(gè)傳感器配對使用，將它們裝在檢測導(dǎo)輥兩側(cè)的端軸上，料帶通過檢測導(dǎo)輥施加負(fù)載，使張力傳感器敏感元件產(chǎn)生位移或變形，從而檢測出實(shí)際張力值，并將此張力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成張力信號反饋給張力控制器。最終實(shí)現(xiàn)張力閉環(huán)控制。其優(yōu)點(diǎn)是檢測范圍寬，響應(yīng)速度快，線性好。缺點(diǎn)是不能吸收張力的峰值，機(jī)械的加減速難以處理，不容易實(shí)現(xiàn)高速切換卷等。因此，當(dāng)處于平衡狀態(tài)的張力控制系統(tǒng)受到較強(qiáng)的干擾時(shí)，系統(tǒng)瞬間來不及作出反應(yīng)，料帶上張力變化的幅度值會較大，對張力控制盡快重新進(jìn)入平衡狀態(tài)不利。

　　張力傳感器放置在輥?zhàn)拥闹С州S承下方，由剛性材料做成，它只對水平方向的張力起作用。當(dāng)一定張力的片材通過該輥時(shí)，片材所受到的張力分成兩部分（水平方向的力FR和垂直方向的力FV)。如圖2a所示，設(shè)張力為T，F(xiàn)T為輥?zhàn)雍洼S承的重力，α、β為片材的夾角，則

      FR＝Tx(cosβ–cosα)

      FV=Tx(sinα－sinβ)+FT

　　根據(jù)張力傳感器的值FR就可以計(jì)算出該片材此時(shí)的張力值T。

　　承座式張力傳感器一般是由特殊的剛性材料做成，如ABB公司PFTL101A、101B系列的傳感器是由CrMoS17組成的特殊不銹鋼材料做成。其工作原理通常有以下三種：

　　(1)壓磁式

　　張力傳感器的初級線圈和次級線圈正確通過傳感器的四個(gè)孔（其中初級線圈為激勵線圈，次級線圈為感應(yīng)線圈）。在正常情況下（即無水平張力）初級線圈的感應(yīng)磁場如圖2b所示，由于孔的合理放置，次級線圈無感應(yīng)電壓產(chǎn)生。當(dāng)水平張力T作用在傳感器上時(shí)，初級線圈的電磁場就會產(chǎn)生變化，從而次級線圈就會感應(yīng)出相應(yīng)的電壓,如圖2c。一旦水平張力作用改變方向，次級線圈的電壓極性也相應(yīng)改變。張力傳感器的激勵信號為330Hz、0.5A的交流信號，張力作用的大小反映在輸出信號的幅度上，張力的方向則反映在輸出信號的極性上。信號放大器的作用就是先過濾為DC信號，然后通過增益運(yùn)算放大器，最后可以選擇適當(dāng)?shù)募臃ㄆ鳌p法器等輸出張力控制所需的紙幅A側(cè)張力信號、B側(cè)張力信號、A側(cè)＋B側(cè)的張力之和信號和A側(cè)－B側(cè)的張力之差信號。

　　該類型傳感器通常是由兩塊鐵板和四片彈性鋼片聯(lián)接組成的。四片彈性鋼片用來吸收垂直方向的分力，磁性測量元件安裝在中間二片鋼片的當(dāng)中，使測力計(jì)只對測量方向上的機(jī)械應(yīng)力敏感。在測量過程中，磁彈性元件由于受機(jī)械應(yīng)力的變化，將產(chǎn)生磁性材料的導(dǎo)磁性能變化。該元件是用一種經(jīng)過特殊技術(shù)處理過的多片金屬薄片組成。在元件上繞有兩個(gè)交叉而互成垂直角度的兩個(gè)線圈，在沒有外界機(jī)械應(yīng)力時(shí)，因?yàn)閮蓚€(gè)線圈相互垂直，故不會出現(xiàn)磁耦現(xiàn)象，即在次級線圈上不會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。當(dāng)磁性元件在測量方向上受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)即出現(xiàn)磁耦現(xiàn)象。在次級線圈上產(chǎn)生與機(jī)械力成正比的感應(yīng)交流電壓信號，通過信號處理，輸出一個(gè)與機(jī)械力大小成正比的張力信號。

圖2    張力傳感器的測量原理和工作原理

　　a)張力分析   b)不受力時(shí)的張力傳感器   c) 不受力時(shí)的張力傳感器
　
　　(2) 壓敏電阻

　　該傳感器安裝于軸承和機(jī)架之間，記錄水平方向的卷筒張力，采用相應(yīng)的放大器來進(jìn)行全橋電壓供給和測量信號的處理。放大器輸出端的信號和徑向作用力成比例，可用于數(shù)字顯示或作為閉環(huán)回路的瞬時(shí)值。

　　如美國蒙特福T系列就屬于壓敏電阻型。

　　(3) 板簧式微位移張力傳感器

　　承座式優(yōu)點(diǎn)是檢測范圍寬，響應(yīng)速度快，線性好。缺點(diǎn)是不能吸收張力的峰值，機(jī)械的加減速難以處理，不容易實(shí)現(xiàn)高速切換卷等。因此，當(dāng)處于平衡狀態(tài)的張力控制系統(tǒng)受到較強(qiáng)的干擾時(shí)，系統(tǒng)瞬間來不及作出反應(yīng)，料帶上張力變化的幅度值會較大，對張力控制盡快重新進(jìn)入平衡狀態(tài)不利。

　　如日本三菱LX-TD型屬于板簧式微位移張力傳感器。

　　2.2 浮輥式(DancerArm)張力檢測方式

　　它是一種間接的張力檢測方式，實(shí)質(zhì)上是一種位置控制，當(dāng)張力穩(wěn)定時(shí)，料帶上的張力與氣缸作用力保持平衡，使浮輥處于中央位置。當(dāng)張力發(fā)生變化時(shí)，張力與氣缸作用力的平衡被破壞，浮輥位置會上升或下降，此時(shí)擺桿將繞M點(diǎn)轉(zhuǎn)動并帶動浮輥電位器一起轉(zhuǎn)動。這樣，浮輥電位器準(zhǔn)確地檢測出浮輥位置的變化，它將以位置信號反饋給張力控制器，控制器經(jīng)過計(jì)算并輸出控制信號，控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行糾偏。然后浮輥恢復(fù)到原來的平衡位置。由于浮輥式張力檢測裝置本身是一種儲能結(jié)構(gòu)，利用其自身的沉余作用，對大范圍的張力跳變有良好的吸收緩沖作用，同時(shí)也能減弱料卷的偏心（橢圓）以及速度變化對張力的影響。此系統(tǒng)要求氣缸磨擦系數(shù)小，響應(yīng)速度快，氣源穩(wěn)定。浮輥和擺桿的重量要輕，轉(zhuǎn)動要靈活。

　　2.3 浮輥/反饋復(fù)合式張力檢測方式

　　它可同時(shí)檢測由浮輥電位器輸出的浮輥位置信號和張力傳感器輸出的張力信號，從而可向系統(tǒng)提供更高精度的張力控制。其特點(diǎn)是：它不但具有浮輥控制對大范圍張力跳變的吸收或緩沖功能，而且還對機(jī)器加、減速時(shí)有很好的緩沖平穩(wěn)作用，并容易實(shí)現(xiàn)高速切換卷。具有張力傳感器閉環(huán)控制的高精度、高重復(fù)性的特點(diǎn)。例如美國蒙特福(MONTALVO)公司的X/D3000型浮輥/反饋復(fù)合式張力控制裝置就屬于該種類型。

　　2.4 由卷徑得出的張力檢測方式
　
　　它是用安裝在卷軸處的接近開關(guān)、檢測出卷軸的轉(zhuǎn)速，并通過所設(shè)定的卷軸直徑初始值和材料厚度，累積計(jì)算求得收卷或放卷筒當(dāng)前的直徑，相應(yīng)卷徑的變化輸出控制信號，以控制收卷轉(zhuǎn)矩或放卷制動轉(zhuǎn)矩，從而調(diào)整料帶的張力。因?yàn)榫磔S每轉(zhuǎn)一圈，卷徑會發(fā)生2倍于料帶厚度的變化。此種張力控制不受外界剌激的影響，能實(shí)行穩(wěn)定的張力控制。

　　3 張力控制與變頻

　　3.1 張力控制原理

　　以造紙機(jī)的張力控制為例，在圖3a的張力控制示意圖中，傳動電機(jī)M的張力實(shí)際值是位于它前面的張力傳感器的實(shí)際值。通過檢測該處的張力情況，來控制傳動電機(jī)M的速度，從而形成一個(gè)張力閉環(huán)。電機(jī)M的速度加快，則紙幅拉緊，張力的實(shí)際值就會上升；相反，速度降低，則紙幅松垂，張力的實(shí)際值就下降。

圖3  張力控制示意圖

　　a)造紙機(jī)張力控制                         b)張力控制原理

　　在這里，紙幅張力的設(shè)定值為T設(shè)定，實(shí)際值為T實(shí)際，經(jīng)過張力控制器(T-控制)的PID調(diào)節(jié)器后，再乘以3％的偏移量，做為該傳動點(diǎn)速度設(shè)定值的一個(gè)組成部分。原來傳動的速度設(shè)定值(V設(shè)定)加上該組成部分，就是速度環(huán)(V-控制)的輸入值，然后即可進(jìn)行速度控制。在這里設(shè)置3％偏移量的目的就是通過傳動速度的改變而使張力得到有效的控制。

　　在圖3b的張力控制原理中，T-控制就是張力控制模塊的實(shí)現(xiàn)，包括自動和手動方式兩種來進(jìn)行。張力控制模塊投運(yùn)前需先檢測判定現(xiàn)在的張力實(shí)際值是否在可投運(yùn)的范圍之內(nèi)，否則就不能投運(yùn)，此時(shí)按手動投運(yùn)按鈕或自動投運(yùn)信號為“1”時(shí)，即進(jìn)入張力控制模塊的循環(huán)中。張力PID模塊的退出，它的條件為相關(guān)部位檢測到斷紙信號或按手動退出按鈕。

　　3.2 張力控制軟件流程

　　這里以某一點(diǎn)的張力控制為例，采用PLC語言進(jìn)行編程進(jìn)行張力軟件的設(shè)計(jì)，其示意如圖4所示。由此可以推廣到多點(diǎn)張力控制中去。

　　(1) 讀取張力設(shè)定值

　　張力設(shè)定值的輸入可從工藝控制臺上進(jìn)行，并可通過脈沖開關(guān)的動作對設(shè)定值微調(diào)，以符合實(shí)際紙幅穩(wěn)定運(yùn)行的需要。

　　(2) 讀取張力實(shí)際值
　
　　張力實(shí)際值的產(chǎn)生是從PLC的模擬量板中獲取的，調(diào)用相應(yīng)的功能塊程序。本過程讀取張力的模擬量值后，在輸出端得到標(biāo)準(zhǔn)化的量值，并可通過“高限”和“低限”參數(shù)來設(shè)置量程。從模擬量輸入板讀出的模擬量值首先是變換為右邊對齊的定點(diǎn)數(shù)（以標(biāo)稱范圍為基礎(chǔ))。

　　(3) 張力控制投入判斷

　　張力控制是否投入取決于工藝的需要和紙幅是否已經(jīng)上卷、紙幅是否斷裂，在其它邏輯塊中進(jìn)行手動按鈕投入或自動信號投入的設(shè)定，以及自動退出。因此這里需要判斷張力控制是否投入，如已投入，則進(jìn)入張力PID控制模塊，否則就只是顯示數(shù)值和信息，不進(jìn)行控制。

　　(4) 張力PID控制模塊
　　
　　張力PID控制模塊可以調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的功能塊，以執(zhí)行閉環(huán)控制系統(tǒng)。PID算法是在特殊的時(shí)間采樣分隔下調(diào)用的，并產(chǎn)生操作變量，采樣間隔時(shí)間越短觀察得越精確，控制器完成任務(wù)就越精密。因此，在接口數(shù)據(jù)塊中指定的控制參數(shù)必須適應(yīng)于采樣周期。

　　(5) 顯示張力設(shè)定實(shí)際值

　　負(fù)責(zé)將張力的設(shè)定值和實(shí)際值顯示在工藝控制臺上。

　　(6) 分析效果信息提示

　　在軟件設(shè)計(jì)中，應(yīng)該對張力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行分析并提示信息：（A）斷紙狀態(tài)時(shí)，如果檢測到某點(diǎn)的張力實(shí)際值與基準(zhǔn)零點(diǎn)的偏差值過高則顯示“張力零點(diǎn)偏移”，出現(xiàn)該情況的可能有張力傳感器檢測故障、張力信號放大器零位漂移、軸承支座卡死等；（B）正常出紙時(shí)，張力瞬時(shí)實(shí)際值超過設(shè)定值過高，達(dá)到設(shè)定值的2倍以上時(shí)，此時(shí)提示“張力實(shí)際值HH”，出現(xiàn)該情況將預(yù)示該處紙幅緊度過高將引起斷紙；（C）正常出紙時(shí)，張力控制器的輸出值振幅過寬，此時(shí)提示“張力控制輸出值HH”，出現(xiàn)該情況表明紙幅縱向波動大，需對多點(diǎn)的速度值進(jìn)行調(diào)整。

圖4   張力控制軟件流程圖

　　在某紙廠的多點(diǎn)紙幅張力控制中，選取其中的一點(diǎn)進(jìn)行測試（如圖5）。橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為張力實(shí)際值的百分比。以斷紙時(shí)間開始（0S），一直處于紙幅斷裂狀態(tài)，則張力實(shí)際值一直為“0”；從44S開始進(jìn)行引紙，隨著紙幅從半幅到全幅，張力實(shí)際值也逐漸快速上升并呈不規(guī)則波動；在98S時(shí)，進(jìn)行張力控制模塊的投運(yùn)，因?yàn)槭荘ID控制，先出現(xiàn)明顯的超調(diào)和震蕩，然后超調(diào)量減少，最后張力的實(shí)際輸出值慢慢接近設(shè)定值（67%）。當(dāng)然，選取合適的參數(shù)值甚至再增加合適的回路，將會進(jìn)一步減少超調(diào)量和震蕩周期，使紙幅的張力值穩(wěn)定在允許的范圍之內(nèi)。

圖5   張力控制效果

　　4 中心收卷和張力控制

　　4.1 中心收卷的概念

　　卷取是一種常見的控制系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于造紙、印刷、染織等生產(chǎn)過程中的后續(xù)工作，以制成半成品或成品卷筒物。卷取的方式常見的有2種：即摩擦卷取和中心卷取。前者對機(jī)械的要求復(fù)雜，而且卷取的效果受摩擦輥的影響很大，包括物料的光澤度、端面情況、松緊度等都會在卷取工藝中變差。后者在機(jī)械程度上很簡單，卷取時(shí)只受到自重的影響，卷取的效果自然好許多，然而長期以來中心卷取的控制系統(tǒng)只能在直流控制或磁粉控制二者中進(jìn)行選擇，控制的成本很難降低。

　　在中心卷取中最常用的是以下2種控制方式：(1)速度控制卷取(SPW)，用PID通過測力傳感器的張力反饋，或調(diào)節(jié)輥的位置反饋，來修正速度給定；(2)電流控制卷取(CPW)，用PID調(diào)節(jié)張力給定，這一類型的控制一般是開環(huán)的。

　　對如此復(fù)雜的張力控制系統(tǒng)，變頻技術(shù)必須克服以下4個(gè)技術(shù)問題：(1)將復(fù)雜的交流異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡單化；(2)考慮到張力反饋信號的延后和超調(diào)；(3)將卷繞張力控制過程的動態(tài)參數(shù)描述成時(shí)變函數(shù)；(4)保證張力或轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的抗波動能力高和即時(shí)調(diào)節(jié)性好。

　　通常情況下，具有張力控制的變頻控制系統(tǒng)，是建立在對變頻器、電機(jī)和張力對象的數(shù)學(xué)模型研究的基礎(chǔ)上，它包括：(1)Ud～I(xiàn)d之間的傳遞函數(shù)；(2)Id～M之間的傳遞函數(shù)；(3)轉(zhuǎn)矩M～轉(zhuǎn)速n之間的傳遞函數(shù)；(4)控制電壓Uk～變頻器輸出電壓Ud之間的傳遞函數(shù)；(5)物料張力的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。在一般情況下，張力專用的變頻器由直徑、轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償和速度計(jì)算等模塊組成。

　　4.2 張力專用變頻器

　　作為絲線、布匹、紙張之類的卷繞裝置而應(yīng)用了形形色色的方式，但在本產(chǎn)品所配備的卷繞控制功能，將不再需PLC及昂貴的矢量變頻器或是轉(zhuǎn)矩電機(jī)等，就能構(gòu)筑成廉價(jià)的卷繞系統(tǒng)。其基本構(gòu)成情況如圖6的卷繞系統(tǒng)所示那樣，把兩臺或兩臺以上的變頻器直接連接，把張力架的張力予以反饋并設(shè)定好卷繞功能，即能實(shí)現(xiàn)各種豐富多彩的卷繞控制。

圖6   張力專用變頻器的卷繞應(yīng)用

　　功能完善的張力專用變頻器，整合了絕大多數(shù)張力控制器的特點(diǎn)，能夠取代張力控制器，專用程序控制器、伺服控制器和力矩電機(jī)等設(shè)備；實(shí)現(xiàn)高可靠性的精確控制，滿足用戶各種卷繞要求，從而為用戶提供并構(gòu)筑低成本、高性能的卷繞控制系統(tǒng)。

　　4.3 TD3300張力專用變頻器

　　TD3300張力控制專用變頻器是艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司的最新產(chǎn)品，它具有TD3000矢量變頻器的所有高性能，同時(shí)又可實(shí)現(xiàn)張力閉環(huán)控制和張力開環(huán)控制，以滿足各種卷取要求。

　　TD3300變頻器具有卷取控制的各種功能：(1)各種卷徑的計(jì)算，包括線速度計(jì)算、繞圈計(jì)算、模擬設(shè)定、上位機(jī)給定等；(2)卷徑模擬輸出，實(shí)現(xiàn)人機(jī)友好交互功能；(3)多種線速度測量方式，包括脈沖輸入、模擬輸入、數(shù)字輸入等；(4)實(shí)現(xiàn)張力錐度的設(shè)定；(5)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)墓δ埽鐝澢匮a(bǔ)償、靜態(tài)力矩補(bǔ)償、慣性力矩補(bǔ)償?shù)龋?6)具有自動換卷邏輯功能，實(shí)現(xiàn)在線換卷功能。

　　TD3300張力控制變頻器共有4種張力控制方式，包括張力閉環(huán)控制（需要張力傳感器、增加成本、控制精度最高）、間接張力控制一（需要卷徑傳感器、增加成本、控制精度較高）、間接張力控制二（成本較低、控制精度較高）、間接張力控制三（成本較低、控制精度差）。此四種方案的配置主要是考慮系統(tǒng)的張力控制精度要求、系統(tǒng)的成本要求等，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況決定采用哪種張力控制方式。

　　4種控制方式具體的原理和應(yīng)用如下：

　　(1) 張力閉環(huán)控制  對于張力控制精度要求較高的場合，如軋卷染色機(jī)，它需要通過張力檢測輥的輸出張力信號來構(gòu)成張力閉環(huán)控制，對于變頻器來說采用速度控制方案和PID閉環(huán)控制。

　　(2) 間接張力控制  它通過卷徑傳感器測量的卷徑模擬信號進(jìn)入變頻器的模擬輸入口，而變頻器則根據(jù)測量的卷徑進(jìn)行張力控制。這里，卷徑是通過測量而不是通過計(jì)算而得，因此張力控制的精度相對較高。

　　(3) 間接張力控制  在線速度可以檢測的場合，可以采用此法，通過檢測到的線速度及電機(jī)角速度計(jì)算卷徑，從而控制張力。通常應(yīng)用在如干式復(fù)合機(jī)、拉幅定型機(jī)等收卷系統(tǒng)中。
　
　　(4) 間接張力控制  當(dāng)對張力的控制精度要求不高，卷繞的厚度已知且變化不頻繁的情況下，可以采用厚度累積法計(jì)算卷徑，實(shí)現(xiàn)間接張力控制。

　　圖7所示為TD3300變頻器在某干式復(fù)合機(jī)收卷系統(tǒng)中的配置原理，這里選用了經(jīng)濟(jì)而實(shí)用的間接張力控制二，即卷徑采用模擬量輸入線速度計(jì)算法的方案。由于收卷電機(jī)的前級為復(fù)合輥電機(jī)，也為變頻器控制，它能通過模擬量口輸出0~10V或4~20mA信號，與線速度成比例，即0V為0速，10V為最高線速度。因此，通過此信號，張力變頻器TD3300就能正確地計(jì)算出卷徑信號（D＝S×V/N公式具體見下），從而利用變化的卷徑開環(huán)控制轉(zhuǎn)矩輸出值來保持恒張力控制。

　　在該方案中，復(fù)合輥電機(jī)的線速度通過AI3口進(jìn)入變頻器TD3300，張力設(shè)定值（零速張力設(shè)定和正常張力設(shè)定）通過高精度電位器輸入到AI1、AI2口。在輸入端子功能中，包括啟動停止命令、卷徑復(fù)位命令、PG接口；在輸出端子功能中，包括直徑數(shù)字顯示、張力數(shù)字顯示、故障燈指示、卷徑達(dá)到指示。

　　本系統(tǒng)中卷徑的計(jì)算公式如下：D＝S×V/N（D為卷徑，S為定常系數(shù)，V為檢測到的線速度，N為收卷電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速）。為保證卷徑計(jì)算的準(zhǔn)確性，必須注意：

　　V的準(zhǔn)確性因?yàn)锳I3輸入的0－10V信號對應(yīng)于0－卷取控制時(shí)的最高線速度，因此必須準(zhǔn)確求出該最高線速度值。

　　N的準(zhǔn)確性N的準(zhǔn)確性來源于PG編碼器的信號和收卷電機(jī)減速器的傳動比，因此根據(jù)PG和減速器的銘牌正確輸入?yún)?shù)至關(guān)重要。

　　卷徑計(jì)算濾波時(shí)間為保證在加減速和零速時(shí)正確地計(jì)算卷徑，必須盡可能延長卷徑計(jì)算濾波時(shí)間，一般取5S為宜。

圖7   TD3300變頻器收卷應(yīng)用配置圖

　　這里設(shè)定張力的數(shù)值有2個(gè)，即零速張力和正常張力，前者是零速繃緊的設(shè)定張力，后者是正常收卷中的張力。前者的目的是保持薄膜卷在低速運(yùn)轉(zhuǎn)或停止時(shí)，變頻器停止卷徑計(jì)算，按照零速設(shè)定張力進(jìn)行作用，目的是為了保證張力的恒定。張力的信號通過模擬電位器輸入到變頻器，是一種簡單而實(shí)用的辦法，能讓操作者根據(jù)不同的材質(zhì)、不同的幅寬正常設(shè)置。

　　當(dāng)然，這里還需涉及到張力錐度系數(shù)的設(shè)定和張力補(bǔ)償?shù)膯栴}。錐度系數(shù)是用于修正卷繞過程中由于卷徑變化的張力，避免卷筒內(nèi)松外緊的現(xiàn)象，其計(jì)算公式如下：F＝F0×（1－K×（1－D0/D））。F為實(shí)際張力，F(xiàn)0為設(shè)定張力，K為張力錐度系數(shù)，D0為初始卷徑，D為卷徑。張力補(bǔ)償包括靜態(tài)補(bǔ)償和動態(tài)補(bǔ)償2種，靜態(tài)補(bǔ)償主要是摩擦力補(bǔ)償，動態(tài)補(bǔ)償則考慮到由于卷徑的轉(zhuǎn)動慣量隨D的增大而增大的影響。

　　為保證操作者的正常使用，TD3300變頻器具有直徑信號、張力信號模擬量輸出值，因此可以方便地外接數(shù)顯表來實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)卷徑達(dá)到指示方便操縱者換卷和卷徑復(fù)位。

　　4.4 SAMCO-VM05卷繞專用變頻器

　　SAMCO-VM05卷繞專用變頻器是三墾公司推出的代表性產(chǎn)品，它可以適用于下述系統(tǒng)：

　　(1) 拉絲機(jī)的卷繞裝置；

　　(2) 紙、布、塑料薄膜等的摩擦輥方式卷繞裝置；

　　(3) 非聯(lián)動的多臺送卷機(jī)；

　　(4) 絞線機(jī)；

　　(5) 低張力的恒速卷繞機(jī)。
　
　　SAMCO-VM05的卷繞功能可以分三種，具體如表1所示。

表1   SAMCO-VM05的卷繞功能示意表

　　SAMCO-VM05在印花機(jī)系統(tǒng)中（圖8），各種顏色的印花過程當(dāng)中，細(xì)長物的移動暫時(shí)停止下來，這時(shí)在末端的卷繞部分，若無任何補(bǔ)正，細(xì)長物也會產(chǎn)生很大的速度變化。通常在定速的卷繞情況下一般使用摩擦輥，但在此情況下在卷繞裝置的前段需要根據(jù)速度變化而吸收張力變化的張力架。而且在細(xì)長物完全停止的狀態(tài)下，會有超過張力架的移動范圍的情況，所以有必要使卷繞側(cè)的速度可變。

圖8   SAMCO-VM05的印花機(jī)應(yīng)用    

　　參考文獻(xiàn)

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　　[3] 張燕賓,胡綱衡,唐瑞球.使用變頻調(diào)速技術(shù)培訓(xùn)教程[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社. 2004.

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