森蘭SB80B在薄膜卷繞機(jī)上的應(yīng)用

工業(yè)上常見的薄膜卷繞主要包括布、紙張、塑料薄膜等。通過實地考察，可以發(fā)現(xiàn)薄膜卷繞機(jī)對于張力的精度要求比拉絲機(jī)高，而且卷徑的變化范圍很大，如果像拉絲機(jī)的設(shè)計方案一樣只采用PID修正從機(jī)轉(zhuǎn)速的話，PID修正量很大，PID參數(shù)不易調(diào)節(jié)，控制性能不能保證。而且薄膜卷繞機(jī)與拉絲機(jī)有一個不同在于：薄膜卷繞機(jī)對于薄膜的張力要求是隨卷徑增大而不斷變化的，這樣就不能像拉絲機(jī)那樣使用固定的張力給定，即需要張力錐度控制，防止損傷卷軸或造成內(nèi)部褶皺。因此薄膜卷繞機(jī)的張力控制方案必然要比拉絲機(jī)的方案復(fù)雜。但是我們認(rèn)為，森蘭SB80B機(jī)器完全可以通過對現(xiàn)有功能進(jìn)行設(shè)置，充分利用算術(shù)單元和計數(shù)器等功能，實現(xiàn)薄膜卷繞所要求的張力控制。方案如下：
由代表薄膜線速度的主機(jī)（加工機(jī)）運(yùn)行頻率和卷繞薄膜的實時卷徑計算出相應(yīng)的從機(jī)（收卷機(jī)）主給定頻率，以此作為前饋；同時用PID調(diào)節(jié)器控制薄膜的張力PID輸出，對給定頻率進(jìn)行不斷修正，將修正后的頻率作為收卷電機(jī)的給定頻率。這種前饋和反饋共用的復(fù)合控制方法控制精度很高，很多張力控制專用的變頻器都使用了這種方法。而森蘭SB80B可以通過可編程模塊來編程實現(xiàn)這種控制，使用方便，方法靈活。系統(tǒng)控制框圖如下：

森蘭SB80B薄膜卷繞機(jī)張力控制系統(tǒng)圖

注：圖中D0為初始卷徑百分比值，以最終卷徑為100％；
T0為初始張力值，以張力傳感器最大張力為100％；
K為張力錐度系數(shù)，由用戶設(shè)定，范圍為0～100％；
主機(jī)的模擬運(yùn)行頻率（代表線速度）由AI1輸入
計圈信號使用光電開關(guān)由“計數(shù)器增”輸入。
PID反饋值由張力傳感器向AI2輸入；
外加卷徑復(fù)位信號對計數(shù)值進(jìn)行預(yù)置初值。
下面分兩部分來說明這種組合方法。
第一部分：收卷機(jī)給定頻率的計算。
用戶需要知道三個值，分別是初始卷徑、最終卷徑和薄膜厚度。根據(jù)這三個值，計算出參數(shù)設(shè)置所需要的幾個數(shù)值，具體包括：
1．初始卷徑百分比值D0＝初始卷徑/最終卷徑。
2．計數(shù)器設(shè)定值＝最終卷徑/(薄膜厚度×2)。
3．計數(shù)器預(yù)置值＝初始卷徑/(薄膜厚度×2)。
以下面的例子說明：
假設(shè)薄膜的最終卷徑為1000mm，初始卷徑為100mm，薄膜厚度為0.05mm,則:
D0＝100/1000＝10％；
計數(shù)器設(shè)定值＝1000/(0.05×2)＝20000；
計數(shù)器預(yù)置值＝100/(0.05×2)＝2000。
此時計數(shù)器計數(shù)值（以設(shè)定計數(shù)值為100％）就相當(dāng)于一個卷徑傳感器的輸出信號，即為實時的卷徑值D（以最終卷徑為100％）。計數(shù)器的掉電記憶實現(xiàn)了卷徑掉電記憶功能，計數(shù)器復(fù)位實現(xiàn)了卷徑復(fù)位到初始卷徑的功能。
主機(jī)頻率為F0，從機(jī)頻率為F，當(dāng)前卷徑值為D（以最終卷徑為100％），則可以知道：
F0×D0 ＝ F×D；
即可以算出F ＝ F0×(D0/D)；
先通過算術(shù)單元3算出 D0/D的值；再通過算術(shù)單元2計算F0（即AI1）乘以算術(shù)單元3的輸出，即為F的值。此時算數(shù)單元2的結(jié)果即為收卷機(jī)的主給定頻率，所以將收卷機(jī)的頻率給定通道設(shè)成算術(shù)單元2給定。這樣就完成了收卷機(jī)主給定頻率的設(shè)定。
第二部分：PID的給定計算。
采用閉環(huán)張力控制的方法，PID的給定值應(yīng)該設(shè)定為用戶需要的張力值。但是，用戶需要的張力值并不是一個常數(shù)，而是一個隨著卷徑變化而不斷變小的值，即張力有一個錐度。如下圖：

張力錐度示意圖

張力的錐度公式為：
T ＝ T0×[1－K×(1－D0/D)>
＝ T0×(1- K)＋T0×K×(D0/D)
其中T為實際的理想張力（以張力傳感器最大張力值為100％）；
T0為初始張力值（以張力傳感器最大張力值為100％）；
K為張力錐度系數(shù)，范圍為0～100％；
D0為初始卷徑（以最終卷徑為100％）；
D為實時卷徑（以最終卷徑為100％）。
其中T0×(1-K)和T0×K都是常量。
于是由算術(shù)單元4算出T0×K×(D0/D)的值，其中D0/D為算數(shù)單元3的結(jié)果，T0×K為數(shù)字設(shè)定；再由算術(shù)單元1計算出T，即T0×(1- K)＋T0×K×(D0/D)，其中T0×K×(D0/D)為算術(shù)單元4的結(jié)果，T0×(1- K)為數(shù)字設(shè)定。
此時，算術(shù)單元1的結(jié)果即為用戶需要的實時張力值，將PID的給定通道選擇為算術(shù)單元1給定。這就完成了PID給定通道的設(shè)定。
至此，就完成了張力控制方案設(shè)計。此外，還要把控制需要的一些外部接線和參數(shù)設(shè)置做好；包括將主機(jī)的運(yùn)行中信號作為從機(jī)的起動信號，使從機(jī)跟隨主機(jī)運(yùn)行；根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)PID的相關(guān)參數(shù)，達(dá)到最好的控制效果等。
在出廠值上有變更的參數(shù)如下：

現(xiàn)場運(yùn)行情況如下：當(dāng)主機(jī)開始起動后，從機(jī)接受起動信號開始起動，并根據(jù)卷徑的變化和張力傳感器的反饋不斷調(diào)整輸出頻率，使張力傳感器以基準(zhǔn)位置按張力錐度要求隨卷徑變化，卷繞電機(jī)一直穩(wěn)定運(yùn)行。減速過程中張力傳感器也沒有大的偏移，直至停機(jī)。（如果需要在停機(jī)時保持張力可以采用森蘭SB80B的零伺服功能。）整個過程中沒有變形或松弛現(xiàn)象發(fā)生。用戶還可以隨時查看當(dāng)前的卷徑值、設(shè)定張力值、實際張力值，實時監(jiān)控性能很高。
森蘭SB80B在薄膜卷繞機(jī)上的應(yīng)用獲得了成功。由于森蘭SB80B強(qiáng)大的可編程功能模塊和方便的應(yīng)用方法，很容易完成了帶前饋速度計算和張力錐度的張力控制方案的設(shè)計、設(shè)備安裝和現(xiàn)場調(diào)試的全部工作，取得了滿意的效果。可以看到森蘭SB80B無需專業(yè)功能模塊就可以成功地在一些要求很高的張力控制場合使用。