???? 一、干法式復(fù)合機(jī)控制系統(tǒng)的概述
???? 1、系統(tǒng)介紹
???? 該機(jī)張力控制系統(tǒng)由高性能PLC和矢量變頻器共同完成，通過人機(jī)界面顯示及設(shè)定相關(guān)參數(shù)，交流矢量電機(jī)驅(qū)動(dòng)，組成一套完善的九電機(jī)張力控制系統(tǒng)。
???? 干法式復(fù)合機(jī)由放料1、放料牽引、涂膠、復(fù)合、放料2、收料等六部分組成。放料1料卷到放料牽引段的張力稱為放料1張力；放料牽引到涂膠段的張力稱為放料牽引張力；涂布到復(fù)合段的張力稱為烘箱張力；放料2到復(fù)合段的張力稱為放料2張力；復(fù)合到收料料卷段的張力稱為收料張力，這就是我們常說的五段張力。
???? 這五段張力都有各自獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器（變頻器）、矢量電機(jī)、張力給定器件及張力檢測反饋器件，他們自成系統(tǒng)，同時(shí)又接受中央控制器PLC的統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮。
???? 2、張力信號采集
???? 在放料1、放料2、放料牽引、收料分別裝有一個(gè)擺輥電位器，該電位器通過齒輪與其擺輥相連，通過采集電位器上的電壓變化來感知擺輥的位置，達(dá)到采集張力信號的目的；而烘箱張力采用張力控制器和壓電式傳感器直接測定料膜的實(shí)際張力值，然后把張力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成張力信號反饋回張力控制器，通過此信號與控制器輸入設(shè)定（PLC輸出）的張力值對比，計(jì)算出控制信號，自動(dòng)控制執(zhí)行單元?jiǎng)t使實(shí)際張力值與預(yù)設(shè)張力值相等，以達(dá)到張力穩(wěn)定目的。
???? 3、張力控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)
???? 張力信號采集到PLC中后，通過內(nèi)部計(jì)算輸出一個(gè)控制量，該控制量送入交流矢量變頻器，驅(qū)動(dòng)交流矢量電機(jī)來達(dá)到張力控制的目的。
???? 二、干法復(fù)合機(jī)控制系統(tǒng)說明
???? 1．張力
???? 所謂張力就是通過材料的變形而產(chǎn)生的張緊力，如該變形在材料的彈性變形范圍內(nèi)，那么在自然狀態(tài)下材料可以恢復(fù)，如超出了彈性變形范圍，則對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了破壞，不能恢復(fù)，由此可以看出不同的材料有不同的張力設(shè)定范圍。復(fù)合的材料在運(yùn)動(dòng)過程中，穩(wěn)定的張力可使走料平穩(wěn)、不易起皺、易于涂膠、復(fù)合和收卷整齊、提高生產(chǎn)效率，降低廢品率。
???? 下面通過簡單圖示來說明張力的產(chǎn)生
???? 如圖1所示，料膜由前一主動(dòng)機(jī)構(gòu)送出，其線速度為 v1，第二主動(dòng)輥的線速度為v2，?。詾榱夏みM(jìn)入第二主動(dòng)輥的張力，設(shè)料膜的彈性模量為Ｅ，橫截面積為Ａ，兩主動(dòng)輥之間的長度為L,T=v1/L、為料膜由前一主動(dòng)輥到達(dá)第二主動(dòng)輥的時(shí)間，根據(jù)胡克定律得:?
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???? 1 驅(qū)動(dòng)輥? 2膠輥壓輥? 3 驅(qū)動(dòng)輥
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???? 由此可知，若需控制料膜張力，就必須控制(v2-v1 )，即兩環(huán)節(jié)速度差，可見有些張力控制系統(tǒng)實(shí)際上也是線速度跟蹤系統(tǒng)。
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???? 2．張力控制
???? 張力控制是指能夠持久地控制料膜在設(shè)備上輸送時(shí)的張力的能力，這種控制對機(jī)器的任何運(yùn)行速度都必須保持有效，包括機(jī)器的加速、減速和正常運(yùn)行。即使在緊急停車情況下，也能保證料膜不產(chǎn)生絲毫破損。
???? 3．?dāng)[輥檢測張力
???? 在擺輥檢測裝置中，擺輥的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠存儲料膜，它的作用就好比是一個(gè)蓄力器、緩沖器，吸收或隔離了張力的擾動(dòng)，如圖2所示，以放卷擺輥為例介紹擺輥
???? 檢測張力的機(jī)械結(jié)構(gòu)及受力情況：
???? F—給定張力? F1、F2—材料張力 d－擺輥直徑?
???? 擺輥檢測張力原理
???? 擺輥檢測張力是通過電位器來檢測擺輥偏離中心位置（擺輥?zhàn)匀淮怪蔽恢茫┑慕嵌?，而間接檢測料膜表面張力的大小和變化波動(dòng)，這個(gè)過程需要使用擺輥反饋信號，反饋信號是擺輥的位置偏差，通過位置偏差來反映張力的波動(dòng)量。當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，擺輥?zhàn)匀幌麓固幱谥形唬A(yù)先在PLC中設(shè)定的中位），擺輥氣缸上的推力與料膜上的張力處于平衡。
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???? 圖3? 放卷/收料擺輥極限示意圖
???? 如圖3所示，若系統(tǒng)張力發(fā)生波動(dòng)，擺輥則會水平擺動(dòng)，此時(shí)連接在擺輥擺動(dòng)軸上的電位器的電位差則會改變，偏向極限1時(shí)，低摩擦汽缸伸出，說明張力變?。黄驑O限2時(shí)，低摩擦汽缸收回，說明張力變大。
???? 當(dāng)系統(tǒng)張力產(chǎn)生了波動(dòng)，克服機(jī)械摩擦阻力，這種平衡被打破，擺輥位置發(fā)生了偏移，擺輥的自重在水平方向產(chǎn)生分力，該分力疊加到料膜張力上，使系統(tǒng)張力產(chǎn)生更大的波動(dòng)。機(jī)械摩擦阻力包括氣缸、擺輥機(jī)械裝置等的摩擦力，系統(tǒng)在工作時(shí)是一個(gè)不斷的動(dòng)態(tài)調(diào)整過程，機(jī)械摩擦阻力對張力檢測精度有很大的影響。從以上分析可看出，減輕擺輥裝置的自重、減小機(jī)械摩擦阻力是提高張力檢測精度的關(guān)鍵。另外擺輥反饋信號應(yīng)調(diào)整到最高分辨率，過低的分辨率將降低張力調(diào)節(jié)的總體性能。
???? 對檢測出來的張力偏差信號的抗干擾措施：在硬件上選擇優(yōu)良的器件，配備完善的接地網(wǎng)，單點(diǎn)接地，分隔走線及布線，所有信號線均采用屏蔽線；在軟件上，對檢測信號進(jìn)行濾波，消除錯(cuò)誤的檢測信號對系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊。
???? 三、引起張力波動(dòng)的因素：
???? 復(fù)合料在運(yùn)動(dòng)過程中，穩(wěn)定的張力可使走料平穩(wěn)、不易起皺、復(fù)合強(qiáng)度高、廢品率低。在實(shí)際使用過程中，由于張力控制的多樣性、復(fù)雜性、綜合性等原因，實(shí)際張力會產(chǎn)生波動(dòng)，綜合分析產(chǎn)生張力波動(dòng)的原因如下：
???? 1、收放料直徑變化引起的張力波動(dòng)。
???? 干法式復(fù)合機(jī)料卷在收、放卷過程中，收卷和放卷直徑是不斷變化的，直徑的變化必然會引起料膜張力的變化。放卷在制動(dòng)力矩不變的情況下，直徑減小，張力將隨之增大。而收卷則相反，如果收卷力矩不變時(shí)，隨著收卷直徑增大，張力將減小。
???? 2、機(jī)械加工精度、裝配質(zhì)量、配套件質(zhì)量等方面的影響。
???? 提高干法式復(fù)合機(jī)各主要構(gòu)件如傳動(dòng)齒輪、底座、墻板、導(dǎo)向輥、軸承精度等的制造精度和裝配精度，否則料膜在涂膠輥、復(fù)合輥及眾多導(dǎo)輥上運(yùn)行時(shí)，料膜上的張力就會隨之發(fā)生微小變化，最終就會反映到整臺機(jī)器上，致張力產(chǎn)生無規(guī)律變化。
???? 3、張力檢測信號的精度及干擾的影響。
???? 檢測信號的精度直接影響著控制精度，如果張力的波動(dòng)不能實(shí)時(shí)可靠地反映出來，再好的控制系統(tǒng)也無能為力，只有實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的、可靠的檢測信號才能保證控制的高精度。張力控制系統(tǒng)是一個(gè)多軸聯(lián)動(dòng)的系統(tǒng)，內(nèi)部包含有很強(qiáng)的干擾源（如大功率的變頻器），對檢測信號的抗干擾處理是必要的也是必須的。
???? 4、PID控制是干法式復(fù)合機(jī)張力控制的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，PID設(shè)定不合適，張力波動(dòng)大，控制精度差。
???? 5、操作不當(dāng)會引起張力的波動(dòng)。比如，張力大小設(shè)置不恰當(dāng)，則設(shè)備在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，料膜會忽松忽緊，影響復(fù)合強(qiáng)度，粘邊現(xiàn)象等。再如，烘箱溫度設(shè)置過高，導(dǎo)致料膜通過烘箱后變形過大，影響復(fù)合質(zhì)量。
???? 6、原材料和生產(chǎn)環(huán)境對復(fù)合也有影響。料膜的厚度不均勻或料卷不圓過于疏松會使實(shí)際張力變化頻繁，增加控制難度，導(dǎo)致涂膠不均勻、復(fù)合后收料不整齊、廢品率增加；生產(chǎn)環(huán)境的溫度、每段烘箱的溫度設(shè)定、濕度狀況會對復(fù)合過程中的變形大小有一定影響。
???? 7、其它的一些因素引起的張力波動(dòng)。
???? 如溫度、烘干，冷卻等其它一些因素的變化引起張力的波動(dòng)。以上分析了張力產(chǎn)生波動(dòng)的一些原因，下面就針對這些原因在控制方面進(jìn)行解決及消除。
???? 四、提高張力控制精度和產(chǎn)品質(zhì)量：
???? 一個(gè)要求張力控制高精度的系統(tǒng),需要考慮的因素很多,下面就對裝配和調(diào)試過程中提高張力控制所采取的措施加以說明：
???? 1、提高張力信號檢測精度及抗干擾措施：
???? 在擺輥檢測裝置中，擺輥的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠存儲料膜，它的作用就好比是一個(gè)緩沖器，吸收或隔離了張力的擾動(dòng)。擺輥調(diào)節(jié)的目的是通過調(diào)整擺輥位置而間接控制料膜表面張力，這個(gè)過程需要使用擺輥反饋信號，反饋信號是擺輥的位置偏差，該位置偏差對應(yīng)的反映張力的波動(dòng)量。當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，擺輥?zhàn)匀幌麓?，擺輥氣缸上的推力與料膜上的張力處于平衡；當(dāng)系統(tǒng)張力產(chǎn)生了波動(dòng)，克服機(jī)械摩擦阻力，這種平衡被打破，擺輥位置發(fā)生了偏移，擺輥的自重在水平方向產(chǎn)生分力，該分力疊加到料膜張力上，使系統(tǒng)張力產(chǎn)生更大的波動(dòng)。機(jī)械摩擦阻力包括氣缸、擺輥機(jī)械裝置等的摩擦力，系統(tǒng)在工作時(shí)是一個(gè)不斷的動(dòng)態(tài)調(diào)整過程，機(jī)械摩擦阻力對信號檢測精度有很大的影響。從以上分析可看出，減輕擺輥裝置的自重、減小機(jī)械摩擦阻力是提高信號檢測精度的關(guān)鍵。
???? 對檢測信號的抗干擾措施：配備完善的接地網(wǎng)，單點(diǎn)接地，強(qiáng)弱電分隔走線及布線，所有信號線均采用屏蔽線，并用金屬軟管加以屏蔽（如對變頻器輸入和輸出接濾波器或加電抗器）。
???? 2、在收放料自動(dòng)裁切時(shí)，都配有預(yù)驅(qū)動(dòng)功能，放料新卷直徑由脈沖編碼器自動(dòng)檢測，經(jīng)PLC準(zhǔn)確地計(jì)算出新卷直徑，保證預(yù)驅(qū)軸表面的線速度與當(dāng)前線速度相接近，盡量減小在自動(dòng)換軸時(shí)線速的差別使張力波動(dòng)；自動(dòng)接料時(shí)，料尾長度控制：裁切時(shí)，可調(diào)整糊面位置改變料尾長度。料尾太長會引起張力波動(dòng)增加、走料不暢等問題。調(diào)整糊面位置可有效地減小尾長度，使新軸預(yù)驅(qū)動(dòng)速度嚴(yán)格和整機(jī)速度同步，保證料膜能夠按照整條生產(chǎn)線的同一速度運(yùn)行，使擺輥控制料膜表面張力的修正量更小，精度更高。另外機(jī)械負(fù)載的波動(dòng)對電機(jī)速度也會產(chǎn)生影響，在實(shí)際應(yīng)用中，精調(diào)變頻器的部分參數(shù)并進(jìn)行變頻器自學(xué)習(xí)，使變頻器和矢量電機(jī)工作在良好的狀態(tài)下，提高張力的穩(wěn)定性。
???? 3、PID控制
???? 張力控制采用PID控制。PID控制效果的好壞主要在于采樣時(shí)間、增益、積分、微分等PID參數(shù)的調(diào)節(jié)。張力控制時(shí)，PID參數(shù)在低速到高速時(shí)可能不適合，或者不同卷徑段的PID參數(shù)是不通用的。因?yàn)槭辗帕显谡９ぷ鲿r(shí)，料卷直徑在不斷地變化，其卷徑的變化是引起張力穩(wěn)定的最大因素，收放料依據(jù)PLC內(nèi)部計(jì)算直徑進(jìn)行分段PID控制，調(diào)試機(jī)器過程中設(shè)定各個(gè)分段的PI參數(shù)，確保收放料張力穩(wěn)定?？傊?，從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等方面來考慮, Kp 、KI、KD對系統(tǒng)的作用如下：
???? 比例系數(shù)Kp的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度K越大,系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào),甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定； Kp過小,則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。
???? 積分系數(shù)KI的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差K越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除越快，但KI過大，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)；若KI過小，將使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差難以消除,影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。
???? 微分作用系數(shù)KD的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，即在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào),在系統(tǒng)引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間但K過大,會使響應(yīng)過程提前制動(dòng)，而且會降低系統(tǒng)的抗干擾能力。
???? 所以,對Kp 、KI、KD 三個(gè)參數(shù)的選取直接影響PID控制效果。
???? 4、收料錐度張力控制：隨著收料直徑的遞增，張力遞減，安調(diào)中針對用戶具體的復(fù)合材料設(shè)定合適的錐度張力，以防止收料料卷損傷和提高產(chǎn)品收卷質(zhì)量。設(shè)定收料錐度張力的啟始直徑和終止直徑，此直徑與收料錐度張力關(guān)系如下：（圖4和圖5所示）
???? 圖4 線性錐度張力控制
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??? 在D1≤D≤D2時(shí)，隨著收料直徑的遞增，張力線性遞減，力矩輸出T則是隨著收料直徑的遞增而遞增。
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???? 非線性錐度張力計(jì)算如下：
???? F=F1×[1-K（1-D1/D）]
???? 含義如下：
???? F為實(shí)際張力值
???? F1為設(shè)定張力值
???? K為張力錐度系數(shù)
???? D為料卷實(shí)時(shí)直徑
???? D1為起始料卷直徑
???? 通過以上方法及有效措施的實(shí)施，使張力控制穩(wěn)定，設(shè)備維修工作減少，使用壽命延長，保證了復(fù)合料膜的強(qiáng)度，改善了機(jī)器的張力性能，在升降速、接換料時(shí)廢品率大大減小，這種控制模式得到最終用戶的一致好評。
???? 軟包裝企業(yè)的迅猛發(fā)展對干法式復(fù)合機(jī)的需求數(shù)量越來越大，質(zhì)量要求也越來越高，與此同時(shí)，我們要加強(qiáng)完善張力控制系統(tǒng)，開發(fā)出高速度、高精度、高可靠性和高品質(zhì)的產(chǎn)品，適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求。
