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自动化综合实践. 李方园. 课题 3 复卷机控制系统. 复卷机一般用于带材的中间工艺，比如造纸复卷机、塑料复卷分切机等。复卷机按照传动类型可以分放卷、主传动和收卷三部分组成，按工位则可以分为单工位、上下双工位、翻转双工位等形式。.
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自动化综合实践 李方园
课题3 复卷机控制系统 复卷机一般用于带材的中间工艺，比如造纸复卷机、塑料复卷分切机等。复卷机按照传动类型可以分放卷、主传动和收卷三部分组成，按工位则可以分为单工位、上下双工位、翻转双工位等形式。
复卷机放卷的制动方式通常分四种：机械制动、磁粉制动、气动制动以及电机变频制动。机械制动是非常传统的结构。磁粉制动是利用电磁原理对带材进行制动的。气动制动主要用于大卷径纸张制动用，在大卷径制动时使用气动制动比磁粉制动要经济许多。电机变频制动是最近几年比较流行的一种制动方式，主要是使用了电机变频制动之后，可以实现非常多的自动化功能，例如：可以做到自动接换料时候的预驱动功能。复卷机放卷的制动方式通常分四种：机械制动、磁粉制动、气动制动以及电机变频制动。机械制动是非常传统的结构。磁粉制动是利用电磁原理对带材进行制动的。气动制动主要用于大卷径纸张制动用，在大卷径制动时使用气动制动比磁粉制动要经济许多。电机变频制动是最近几年比较流行的一种制动方式，主要是使用了电机变频制动之后，可以实现非常多的自动化功能，例如：可以做到自动接换料时候的预驱动功能。
收卷部分的结构同放卷一样，但在控制方式上，就有不同之处了。早期的做法是通过主电机传动给磁粉离合器，通过张力传感器来检测张力变化，由张力控制器来调节磁粉离合器的电流控制收卷的松紧。目前的主流都是通过变频电机来进行开环张力或闭环张力卷取，采用这种方式还可以实现较多的功能，如自动锥度张力、不停机接换料等。收卷部分的结构同放卷一样，但在控制方式上，就有不同之处了。早期的做法是通过主电机传动给磁粉离合器，通过张力传感器来检测张力变化，由张力控制器来调节磁粉离合器的电流控制收卷的松紧。目前的主流都是通过变频电机来进行开环张力或闭环张力卷取，采用这种方式还可以实现较多的功能，如自动锥度张力、不停机接换料等。
【课题任务书】 • 1、任务概述 • 图3-1是小型复卷机，它包括放卷磁粉制动器、主电动机、计长辊和手卷电动机等部分组成。请根据工艺流程和控制要求，设计合理的自动控制系统。
2、工艺流程 根据图3-1所示，小型复卷机的工艺流程包括以下几个步骤： （1）通过PLC的数据设定，一旦PLC接收到启动命令（数字量输入信号）， 3－1自动化综合实践 课题3 复卷机控制系统 PLC通过数字量输出，控制主传动按照模拟量设定的频率运行，此时高速计数器指令开始工作，并将脉冲信号转化为长度信号，当长度到时，主传动停止工作，进行换卷后重新计长。 （2）当放卷端的卷筒快要变空时，自动停止主传动运行。
3、控制要求 （1）输入电源为三相380V电源。 （2）主传动M1和手卷电动机M2采用变频控制，要求收卷端面整齐、锥度合理、紧度适中。 （3）计长辊主要外接编码器信号，以便在设定的长度内进行自动换卷操作。
子课题1：放卷与收卷传动控制 • 一、典型的张力控制系统 • 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。图3-2所示为典型的张力控制收卷和放卷示意图。
图3-2 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
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。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。
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。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。
二、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：
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3-3a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3-3b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3-3c。
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。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。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3-3 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、浮辊式张力检测方式 • 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。 常用的浮辊电位器如Honeywell公司的WPM（如图3-4所示），它的总机械行程为连续角度，理论电气行程340度~353度不等，线性度±0.75%。由于采取隔离滚珠轴承，即使在侧面加载也能保证长寿命，并能抵抗恶劣环境。
三、变频张力控制 1、张力控制原理 以造纸机的张力控制为例，在图3-5a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3-5 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3-5b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。在图3-5b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。
2、张力控制软件流程 这里以某一点的张力控制为例，采用高级语言编程进行张力软件的设计，其示意如图3-6所示。 （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。
在某纸厂的多点纸幅张力控制中，我们选取了其中的一点进行测试（如图3-7）。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。在某纸厂的多点纸幅张力控制中，我们选取了其中的一点进行测试（如图3-7）。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。
四、MM440变频器的张力PID控制方式 除了上述所讲的专用控制控制器，在MM440变频器中还可以直接利用PID控制方式来实现张力收卷与放卷。图3-8所示为张力PID控制原理图。
在这里，张力信号通过浮辊电位器的变化输入到MM440的AI1，作为PID控制器的反馈，PID的给定值在内部参数P2889或P2990按百分比给出。根据MM440的PID控制功能，采用一个外部点控制SB2（自锁按钮）控制PID的投入和退出，以满足手动和自动的切换。 图3-9所示为浮辊动作原理。当浮辊位置变化量在一定范围内，频率不发生变化；当浮辊下降时，则表示收卷速度有点慢，则应该增加频率（即＋△F）；当浮辊上升时，则表示收卷速度太块，则应该降低频率（即-△F）。
【任务训练3-1：MM440复卷机收卷张力控制的调试】【任务训练3-1：MM440复卷机收卷张力控制的调试】 A、按图3-8进行电气接线（选择合适的电位器信号） B、变频器上电，并进行参数设置 P701=99（DI1使能BICO，将作为启动信号）； P703=99（DI3使能BICO，将作为PID切换信号）； P757=0（AI1的X1）； P758=-100%（AI1的Y1）； P759=10（AI1的X2）； P760=100%（AI1的Y2）； P840=722.0（使用DI1作为启动信号）； P2200=722.2（使用DI3来切换手动和PID自动）； P2253=2889（PID给定值来源于P2889）； P2264=755.0（PID反馈值来源于AI1）；
P2267=100%（反馈值的上限）； P2268=-100%（反馈值的下限）； P2280=0.3（需要调试的PID参数：比例增益系数）； P2285=0.9（需要调试的PID参数：积分时间）； P2889=0%（浮辊电位器的平衡点，即中间位置）； P2291=100%（PID上限幅）； P2292=-100%（PID下限幅）； C、带负载运行，并适时调节PID参数值，直至浮辊处于平衡位置。
子课题2：计长控制 一、复卷机计长控制的原理 1、控制原理 图3-10所示为复卷机计长控制的原理，在某带材中如果要实现定长复卷，则可以在主传动后的计长辊处安装一个高速编码器EC，并接入计数器端口，通过PLC的数据设定，一旦PLC接收到启动命令（数字量输入信号），PLC通过数字量输出，控制送进辊电机的高速运行，此时计数器指令开始工作，并将脉冲信号转化为长度信号，当长度快接近到设定值时，PLC输出低速指令，以保证计数精确，在长度达到时，送进辊电机停止并使制动器工作。
2、编码器概述 编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置，前者称为码盘，后者称为码尺，如图3-11所示为编码器外观。
编码器有以下分类方式： （1）按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种。接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“１”还是“０”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“１”还是“０”。 （2）按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。
绝对式编码器可以分单圈绝对式编码器到多圈绝对式编码器。旋转单圈绝对式编码器，以转动中测量光码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码器只能用于旋转范围360度以内的测量，称为单圈绝对式编码器。如果要测量旋转超过360度范围，就要用到多圈绝对式编码器。绝对式编码器可以分单圈绝对式编码器到多圈绝对式编码器。旋转单圈绝对式编码器，以转动中测量光码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码器只能用于旋转范围360度以内的测量，称为单圈绝对式编码器。如果要测量旋转超过360度范围，就要用到多圈绝对式编码器。
3、编码器的安装 型旋转编码器的机械安装有高速端安装、低速端安装、辅助机械装置安装等多种形式。 高速端安装：安装于传动转轴端（或齿轮连接），此方法优点是分辨率高，由于多圈编码器有４０９６圈甚至更多，转动圈数在此量程范围内，可充分用足量程而提高分辨率，缺点是运动物体通过减速齿轮后，来回程有齿轮间隙误差，一般用于单向高精度控制定位。编码器直接安装于高速端，传动抖动须较小，不然易损坏编多圈编码器有４０９６圈甚至更多，转动圈数在此量程范围内，可充分用足量程而提高分辨率，缺点是运动物体通过减速齿轮后，来回程有齿轮间隙误差，一般用于单向高精度控制定位。编码器直接安装于高速端，传动抖动须较小，不然易损坏编码器。
低速端安装：安装于减速齿轮后，如卷扬钢丝绳卷筒的轴端或最后一节减速齿轮轴端，此方法已无齿轮来回程间隙，测量较直接，精度较高，此方法一般测量长距离定位。低速端安装：安装于减速齿轮后，如卷扬钢丝绳卷筒的轴端或最后一节减速齿轮轴端，此方法已无齿轮来回程间隙，测量较直接，精度较高，此方法一般测量长距离定位。 复卷机计长辊的编码器安装方式可以采用低速端，如图3-12所示。
