高速干式复合机张力控制的研究及应用

     
     1 驱动辊  2胶辊压辊  3 驱动辊
                               　　
     由此可知，若需控制料膜张力，就必须控制(v2-v1 )，即两环节速度差，可见有些张力控制系统实际上也是线速度跟踪系统。
    
     2．张力控制
     张力控制是指能够持久地控制料膜在设备上输送时的张力的能力，这种控制对机器的任何运行速度都必须保持有效，包括机器的加速、减速和正常运行。即使在紧急停车情况下，也能保证料膜不产生丝毫破损。
     3．摆辊检测张力
     在摆辊检测装置中，摆辊的一个优点是能够存储料膜，它的作用就好比是一个蓄力器、缓冲器，吸收或隔离了张力的扰动，如图2所示，以放卷摆辊为例介绍摆辊
     检测张力的机械结构及受力情况：
     F—给定张力  F1、F2—材料张力 d－摆辊直径 
     摆辊检测张力原理
     摆辊检测张力是通过电位器来检测摆辊偏离中心位置（摆辊自然垂直位置）的角度，而间接检测料膜表面张力的大小和变化波动，这个过程需要使用摆辊反馈信号，反馈信号是摆辊的位置偏差，通过位置偏差来反映张力的波动量。当系统处于平衡状态时，摆辊自然下垂处于中位（预先在PLC中设定的中位），摆辊气缸上的推力与料膜上的张力处于平衡。

                      　　　　　　
     图3  放卷/收料摆辊极限示意图
     如图3所示，若系统张力发生波动，摆辊则会水平摆动，此时连接在摆辊摆动轴上的电位器的电位差则会改变，偏向极限1时，低摩擦汽缸伸出，说明张力变小；偏向极限2时，低摩擦汽缸收回，说明张力变大。
     当系统张力产生了波动，克服机械摩擦阻力，这种平衡被打破，摆辊位置发生了偏移，摆辊的自重在水平方向产生分力，该分力叠加到料膜张力上，使系统张力产生更大的波动。机械摩擦阻力包括气缸、摆辊机械装置等的摩擦力，系统在工作时是一个不断的动态调整过程，机械摩擦阻力对张力检测精度有很大的影响。从以上分析可看出，减轻摆辊装置的自重、减小机械摩擦阻力是提高张力检测精度的关键。另外摆辊反馈信号应调整到最高分辨率，过低的分辨率将降低张力调节的总体性能。
     对检测出来的张力偏差信号的抗干扰措施：在硬件上选择优良的器件，配备完善的接地网，单点接地，分隔走线及布线，所有信号线均采用屏蔽线；在软件上，对检测信号进行滤波，消除错误的检测信号对系统产生的冲击。
     三、引起张力波动的因素：
     复合料在运动过程中，稳定的张力可使走料平稳、不易起皱、复合强度高、废品率低。在实际使用过程中，由于张力控制的多样性、复杂性、综合性等原因，实际张力会产生波动，综合分析产生张力波动的原因如下：
     1、收放料直径变化引起的张力波动。
     干法式复合机料卷在收、放卷过程中，收卷和放卷直径是不断变化的，直径的变化必然会引起料膜张力的变化。放卷在制动力矩不变的情况下，直径减小，张力将随之增大。而收卷则相反，如果收卷力矩不变时，随着收卷直径增大，张力将减小。
     2、机械加工精度、装配质量、配套件质量等方面的影响。
     提高干法式复合机各主要构件如传动齿轮、底座、墙板、导向辊、轴承精度等的制造精度和装配精度，否则料膜在涂胶辊、复合辊及众多导辊上运行时，料膜上的张力就会随之发生微小变化，最终就会反映到整台机器上，致张力产生无规律变化。
     3、张力检测信号的精度及干扰的影响。
     检测信号的精度直接影响着控制精度，如果张力的波动不能实时可靠地反映出来，再好的控制系统也无能为力，只有实时、准确的、可靠的检测信号才能保证控制的高精度。张力控制系统是一个多轴联动的系统，内部包含有很强的干扰源（如大功率的变频器），对检测信号的抗干扰处理是必要的也是必须的。
     4、PID控制是干法式复合机张力控制的一个重要环节，PID设定不合适，张力波动大，控制精度差。
     5、操作不当会引起张力的波动。比如，张力大小设置不恰当，则设备在高速运转中，料膜会忽松忽紧，影响复合强度，粘边现象等。再如，烘箱温度设置过高，导致料膜通过烘箱后变形过大，影响复合质量。
     6、原材料和生产环境对复合也有影响。料膜的厚度不均匀或料卷不圆过于疏松会使实际张力变化频繁，增加控制难度，导致涂胶不均匀、复合后收料不整齐、废品率增加；生产环境的温度、每段烘箱的温度设定、湿度状况会对复合过程中的变形大小有一定影响。
     7、其它的一些因素引起的张力波动。
     如温度、烘干，冷却等其它一些因素的变化引起张力的波动。以上分析了张力产生波动的一些原因，下面就针对这些原因在控制方面进行解决及消除。
     四、提高张力控制精度和产品质量：
     一个要求张力控制高精度的系统,需要考虑的因素很多,下面就对装配和调试过程中提高张力控制所采取的措施加以说明：
     1、提高张力信号检测精度及抗干扰措施：
     在摆辊检测装置中，摆辊的一个优点是能够存储料膜，它的作用就好比是一个缓冲器，吸收或隔离了张力的扰动。摆辊调节的目的是通过调整摆辊位置而间接控制料膜表面张力，这个过程需要使用摆辊反馈信号，反馈信号是摆辊的位置偏差，该位置偏差对应的反映张力的波动量。当系统处于平衡状态时，摆辊自然下垂，摆辊气缸上的推力与料膜上的张力处于平衡；当系统张力产生了波动，克服机械摩擦阻力，这种平衡被打破，摆辊位置发生了偏移，摆辊的自重在水平方向产生分力，该分力叠加到料膜张力上，使系统张力产生更大的波动。机械摩擦阻力包括气缸、摆辊机械装置等的摩擦力，系统在工作时是一个不断的动态调整过程，机械摩擦阻力对信号检测精度有很大的影响。从以上分析可看出，减轻摆辊装置的自重、减小机械摩擦阻力是提高信号检测精度的关键。
     对检测信号的抗干扰措施：配备完善的接地网，单点接地，强弱电分隔走线及布线，所有信号线均采用屏蔽线，并用金属软管加以屏蔽（如对变频器输入和输出接滤波器或加电抗器）。
     2、在收放料自动裁切时，都配有预驱动功能，放料新卷直径由脉冲编码器自动检测，经PLC准确地计算出新卷直径，保证预驱轴表面的线速度与当前线速度相接近，尽量减小在自动换轴时线速的差别使张力波动；自动接料时，料尾长度控制：裁切时，可调整糊面位置改变料尾长度。料尾太长会引起张力波动增加、走料不畅等问题。调整糊面位置可有效地减小尾长度，使新轴预驱动速度严格和整机速度同步，保证料膜能够按照整条生产线的同一速度运行，使摆辊控制料膜表面张力的修正量更小，精度更高。另外机械负载的波动对电机速度也会产生影响，在实际应用中，精调变频器的部分参数并进行变频器自学习，使变频器和矢量电机工作在良好的状态下，提高张力的稳定性。
     3、PID控制
     张力控制采用PID控制。PID控制效果的好坏主要在于采样时间、增益、积分、微分等PID参数的调节。张力控制时，PID参数在低速到高速时可能不适合，或者不同卷径段的PID参数是不通用的。因为收放料在正常工作时，料卷直径在不断地变化，其卷径的变化是引起张力稳定的最大因素，收放料依据PLC内部计算直径进行分段PID控制，调试机器过程中设定各个分段的PI参数，确保收放料张力稳定。总之，从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等方面来考虑, Kp 、KI、KD对系统的作用如下：
     比例系数Kp的作用是加快系统的响应速度,提高系统的调节精度K越大,系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调,甚至导致系统不稳定； Kp过小,则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。
     积分系数KI的作用是消除系统的稳态误差K越大，系统的稳态误差消除越快，但KI过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调；若KI过小，将使系统稳态误差难以消除,影响系统的调节精度。
     微分作用系数KD的作用是改善系统的动态特性，即在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报,在系统引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间但K过大,会使响应过程提前制动，而且会降低系统的抗干扰能力。
     所以,对Kp 、KI、KD 三个参数的选取直接影响PID控制效果。
     4、收料锥度张力控制：随着收料直径的递增，张力递减，安调中针对用户具体的复合材料设定合适的锥度张力，以防止收料料卷损伤和提高产品收卷质量。设定收料锥度张力的启始直径和终止直径，此直径与收料锥度张力关系如下：（图4和图5所示）
     图4 线性锥度张力控制

    在D1≤D≤D2时，随着收料直径的递增，张力线性递减，力矩输出T则是随着收料直径的递增而递增。
     
     非线性锥度张力计算如下：
     F=F1×[1-K（1-D1/D）]
     含义如下：
     F为实际张力值
     F1为设定张力值
     K为张力锥度系数
     D为料卷实时直径
     D1为起始料卷直径
     通过以上方法及有效措施的实施，使张力控制稳定，设备维修工作减少，使用寿命延长，保证了复合料膜的强度，改善了机器的张力性能，在升降速、接换料时废品率大大减小，这种控制模式得到最终用户的一致好评。
     软包装企业的迅猛发展对干法式复合机的需求数量越来越大，质量要求也越来越高，与此同时，我们要加强完善张力控制系统，开发出高速度、高精度、高可靠性和高品质的产品，适应市场经济的发展要求。