复卷机退卷张力控制系统设计

复卷机退卷张力控制系统设计摘要本论文给出了主传动为直流电机的复卷机电控系统的设计方案，其中包括了系统总体控制方案，纸幅退卷张力控制，关键量数学模型的控制及建立以及主传动电机的选型。纸幅张力控制是保证纸卷形态的至关重要的因素之一，纸幅张力最重要的作用是展平纸幅，同时稳定的纸幅张力还将避免纸幅横向偏移。在复卷机中，纸幅张力的产生在于退纸辊驱动电机工作于回馈制动状态。纸幅张力的大小，或者张力的稳定与否，在于对退纸辊电机的控制。对于张力控制方案，目前国产复卷机的控制系统，大致可以分为两类直接张力控制方案、间接张力控制方案。从控制方案上看，所谓直接张力方案是用实测张力作为反馈信号，与给定信号相比较，用张力调节器，组成张力闭环对张力进行调节。这种方案的优点是控制结构简单，控制响应迅速，但很难兼顾控制响应的快速性和控制的平稳性。所谓间接张力控制方案是分析张力变化的原因，对其主要扰动量进行补偿，如能同时对几个扰动量进行控制，可以达到很好的效果。综合考虑，直接张力控制应当与间接张力控制方案相结合，才能发挥其响应快速的优势，同时避免其它方面的不足。复卷机主传动的选型主要应考虑电机的调速范围、功率、转矩这三个主要方面是否满足要求，当然还应综合考虑造价、与变速箱的配合等，以实现性价比最优。论文针对具体的张力控制要求，对系统的硬件选型进行了举例。关键词复卷机，张力控制，电机选型，组态，直流调速THEDESIGNOFREELINGOFFTENSIONCONTROLSYSTEMINREWINDMACHINEABSTRACTINTHISPAPER,ADESIGNOFTHEMAINDRIVEDCMOTORREWINDFORELECTRICCONTROLSYSTEMISPRESENTED,INCLUDINGTHEOVERALLCONTROLSYSTEM,ABRIEFINTRODUCTIONOFTENSIONCONTROL,THECONTROLLINGANDMATHMODELINGMETHODOFKEYANDTHESELECTIONOFMAINMOTORWEBTENSIONCONTROLISONEOFTHEFACTORSTOENSURETHEPAPERFORMSWEBTENSIONISTHEMOSTIMPORTANTROLEINFLATTENINGTHEWEBANDTHESTABILITYOFTHEPAPERWEBTENSIONWILLPREVENTTHEHORIZONTALMIGRATIONTHEPAPERTENSIONCOMESFROMTHATTHEELECTRICALWORKSINTHEBRAKINGSTATEFEEDBACKTHEWEBTENSIONWHICHISSTABLEDORNOTISIMPACTEDTHECONTROLOFMOTORASTOTHETENSIONCONTROL,THEREARETWOMAINKINDSINCURRENTUSAGETHEDIRECTTENSIONCONTROLMETHODANDTHEINDIRECTTENSIONCONTROLMETHODINTHEFORMERSCHEME,DETECTEDTENSIONISUSEDASFEEDBACKSIGNAL,WHICHISCOMPAREDWITHTHEGIVENTENSIONSIGNALANDTHERESULTISSENTTOTENSIONREGULATORTOFORMACLOSEDLOOPINORDERTOADJUSTTENSIONTHEADVANTAGESOFTHISMETHODARETHATITISOFANSIMPLESTRUCTUREANDATAHIGHCONTROLLINGSPEED,WHILEITSDISADVANTAGESARETHELOWRESPONSEANDTHEPOORSTEADYPERFORMANCEHOWEVERTHELATTERONEDOSENOTUSETENSIONSENSORTOGETTHETENSIONSIGNAL,ANDINSTEADITANALYZESTHEREASONSOFTHECHANGEOFTENSIONANDTHENCOMPENSATETHEMAINDISTURBANCESAPERFECTPERFORMANCECANOBTAINIFTHESEVERALMAINDISTURBANCESCOULDBECOMPENSATEDSIMULTANEITYINCONCLUSIONACOMBINATIONOFTHEDIRECTANDINDIRECTTENSIONCONTROLCANGETASATISFIEDRESPONSESPEEDANDOVERCOMETHEDISADVANTAGESOFOTHERASPECTSWESHOULDMAINLYCONSIDERWHETHERSELECTINGTHEMAINMOTOROFWINDERCANMEETTHEREQUIREMENTSOFTHERANGEOFSPEEDREGULATION,POWERCAPACITYANDTORQUE,OFCOURSETHEWHOLECOST,THECOOPERATIONWITHGEARBOXANDSOONALSOSHOULDBECONSIDERATESOASTOACHIEVETHEOPTIMIZATIONOFCOSTPERFORMANCEINTHISPAPER,EXAMPLESOFTHESELECTIONOFSYSTEMSHARDWAREAREPRESENTEDACCORDINGTOTHEREQUIREMENTSOFTENSIONCONTROLSYSTEMKEYWORDSREWIND,TENSIONCONTROL,MOTORSELECTION,CONFIGURATION,DCSPEEDCONTROL目录摘要IABSTRACTII1诸论111复卷机概述112复卷机发展及国内外现状22课题的提出321背景分析及课题的提出322课题的内容及分布53主传动为直流电机的复卷机电控系统的设计631纸卷质量指标及影响成品纸卷形态的因素632系统总体控制方案633系统控制功能设计7331压纸辊的压力控制7332前后底辊的负荷分配控制9333挠性起动及S型升、降速控制1034纸幅退卷张力控制13341退卷张力控制总体分析13342间接张力补偿控制分析14343直接张力控制分析1535控制方案16351控制特点及张力生成16352间接张力控制的数学建模17353直接张力控制1936动态补偿214张力控制系统的硬件配置2341选型依据2342退纸辊电机的选型2443底辊电机的选型2544设计举例25441主要原始数据25442退纸辊电机选型26443底辊电机选型265退纸辊完成退卷张力的控制2751退纸辊的硬件结构2752退纸辊电机的调速控制方式2853张力控制2955PLC程序及OP270组态31结束语34致谢36参考文献371诸论11复卷机概述在造纸行业中，复卷机是卷筒纸生产过程中的最后一道环节，从抄纸机上生产出来的原纸卷，必须经过复卷之后才能作为成品纸出厂。由于纸机的抄造过程是连续性的，纸卷的更换并不需要停车,而复卷机的工作是间歇式的，每次更换原纸卷时必须停车，并且通常情况下，一个原纸卷，可能要分成若干次才能复卷完毕，也就是说中间会有几次停车过程，将卷好的成品纸卷卸辊，然后更换新的纸芯，再开始一次新的复卷过程。这些间歇过程通常是避免不了的，所以复卷机的工作车速必须要快，原纸卷的复卷时间必须小于抄造时间，否则就会造成原纸卷的积压。由于车间的空间面积总是有限的，而且生产原纸卷所需要的卷轴数量也是有限的，如果不能及时复卷出来，则一是放置原纸卷的空间不够，二是造成没有抄造卷取所需要的卷轴，这样就会迫使纸机停车。由于上述原因，通常要求复卷机的设计车速是纸机设计车速的3倍以上1，因此说复卷机是造纸设备中工作车速最快的设备，这就为复卷机的设计与制造带来了很高的要求，正如上文所述，复卷机设计车速的高低、运行工况的好坏直接影响着纸机是否能够正常工作。另外，对复卷机的要求，除了工作车速之外，还包括成品纸卷的卷取质量。对于成品纸卷卷取质量的评价，主要包括两个方面，一是外观要求，即分切端面是否平整光滑，没有台阶形状；其次是对内在质量的要求，首先是不允许在复卷过程中纸张出现打摺现象再就是是紧度在纸卷径向上的分布要求，考虑到纸卷的储存、运输以及用户设备的需要，要求成品纸卷的紧度在径向上分布均匀，并呈递减性态，俗称内紧外松。为了达到纸卷对紧度的要求，需要对纸幅张力（TENSION）、压区压力（NIPLOAD）、扭矩（TORQUE）这三个指标进行严格控制。图11是一个典型的双底辊下引纸复卷机的简单工作示意图，对这三个方面进行了说明。从图中可以看到，纸幅张力是纸张从原纸卷至后底辊这一段运行期间的张力，要求纸张在这一段期间内张力平稳。否则纸幅会出现横向偏移，造成纸卷端面不齐，形成台阶形状，严重时会出现打摺，同时如上所述会影响到纸张的残余应变。压区压力如图中所示，指压纸辊对成品纸卷形成的压力，通常为液压驱动，可通过控制液压比例阀门控制压纸辊压力，一般需要设置由程序控制的压力曲线，随着成品纸卷直径的增大使得压力逐渐减小。扭矩为前后底辊电磁输出转矩之差，在复卷初期，要求纸卷硬度大一些，随着成前前前前前前前前前前前前前前前前FF前前前前前前前前前前MC1前前MC2前前MC1MC2图11复卷机工作示意图品纸卷直径的增大，两个转矩的差别逐渐减小，趋于相等，甚至有时要求出现负值，即使得前底辊转矩略小于后底辊转矩1。12复卷机发展及国内外现状随着20世纪90年代造纸机的发展突飞猛进，新概念、新技术、新装备不断涌现，造纸机车速也高达2500米/分，相随之下，复卷机也取得了同步发展，发展出了大量高新技术成果，现代复卷机发展的主要技术成果有以下2（A）复卷机的车速提高了。设计车速已经达到了3500M/MIN，工作车速达到了3100M/MIN以上,复卷的幅宽也与纸机同步发展达到10M之多。如法国的ADOLFTOSS纸业有限公司引进VALMET公司生产的连续复卷、全自动WINDRUMM型的复卷机（抄速3000M/MIN,幅宽6000MM）,已投入生产。我国的南平、齐齐哈尔和华泰等厂家也都引进了高速复卷机，并都投入了生产。（B）出现了适用不同纸种、纸板复卷的各种型号的现代复卷机。在现代复卷机制造技术方面，居于领先地位的有三家公司，VOITHSULZER（伏依特苏尔寿）公司，VALMET（维美德）公司和METSO（美卓）公司。METSO公司先后推出了3种有代表性的现代复卷机WINDRUM（双鼓复卷机）、WINBELT（皮带床复卷机）机和WINROLL复卷机。VALMET推出了WINAIR（气垫减压式复卷机）和JR1000E复卷机。VOITHSULZER公司也推出了TOROTD复卷机、TOROCOMBI复卷机和TOROSD复卷机。（C）满足了市场对大直径卷筒纸的需求，由原来的只能复卷直径为11001250MM的卷筒纸，逐步发展到复卷直径为15001800MM的卷筒纸。最大净纸宽度也达到了2800MM。（D）现代复卷机先进的控制系统采用了模块化结构。最新的控制系统包括具有100多项选择参数的复卷配方库和复卷监控系统，选择参数包括车速、加速度、复卷力、液压和力矩等。值得一提的是，WINBELT/WINDRUMPRO复卷机配有独特的振动测量系统，从而保证了对某些特种纸引起的复卷故障趋势加以分析。（E）现代复卷机连续复卷方法的全面自动化控制功能将人工作业降到最低，并将操作人员的角色变成复卷过程的监控员。这意味着复卷已变成了单人作业。连续复卷功能如换卷时的粘接、全幅引纸、纸芯处理、纸尾在纸芯和成纸卷上的固定、幅宽变换及纸卷更换可实现全面自动化，并且在操作人员在控制室监控时加以完成纸卷和卷纸辊处理及更换。（F）现代复卷机的设备利用率普遍提高，已由过去的0608提高到085095，甚至达到了09510。在以VALMET（维美德）公司、METSO（美卓）公司和VOITHSULZER（伏依特苏尔寿）公司居于复卷制造技术领先地位的国际潮流下，复卷机的发展方向是高车速、大成品纸卷、大幅宽、全运行自动化、高利用率，其最终目的是提高生产效率，从而降低对资源的消耗和浪费，同时保障操作人员的安全。相比之下，我国国内的复卷机行业则相对落后，首先，工作车速不高，一般在15002000米/分，达到2500米/分以上复卷机不多；其次，我国的复卷机制造技术还很落后，机械种类单一，主要是上、下引纸两类，而作为代表目前复卷机发展方向的下引纸复卷机，也只是以双底辊复卷机为主，表明我国复卷机生产制造厂家对复卷机的复卷机理以及与纸张之间的适应性研究不够，因此也就限制了复卷机工作车速和复卷质量的提高。另外，还有一个很重要的因素就是国内的自动化程度不高，由此带来的问题是，复卷机的实际效率大打折扣，造成抄纸机的车速必然受到限制，从而对生产效率的提高和生产成本的控制产生不利影响。综观我国造纸设备制造业的发展现状，抄纸机的工作车速可以达到800米/分，甚至更高。那么对复卷机的要求就是其工作车速必须达到抄纸机的23倍以上，即15002500米/分以上。如前所述，这恰恰是国产复卷机难以做到的。但是由于进口设备价格非常昂贵，并非国内所有企业都能够承受，因此目前国内很多企业所采取的措施是，以增加生产线来弥补生产效率的低下。导致我国大多数造纸企业仍然停留在低效率、高成本，以规模效益为主的层面上。这无疑是对我国有限的土地资源、水资源、能源以及原材料资源的浪费。因此说，目前国内造纸领域对复卷机的研究已经滞后于生产发展的需要，成为制约我国造纸业进一步提升行业水平的重要因素之一。2课题的提出21背景分析及课题的提出在第一章中，已经简要地叙述了复卷机的工作情况以及当前国产复卷机所处的地位和现状。基于前文所述的情况，以及当前国内造纸行业飞速发展的要求和国内、国际用纸市场的需求，充分说明完善和提高国产复卷机的性能，克服限制我国造纸行业进一步发展的瓶颈，已成为当务之急。复卷机是一种机电高度结合的机电一体化设备，从全面提升复卷机性能的角度来看，离不开对设备加工安装方面的改进和完善，也需要对设备的结构以及复卷机理的进一步深入研究。因此这是一个综合工程，需要多方面的配合攻关才能实现。同时也是一个逐渐积累，逐渐完善的过程，无论那方面的提高，都有助于复卷机整体性能的提高和完善。站在电气控制的立场来看，如第一章所述，对纸幅的张力控制、压区压力控制、前后底辊扭矩控制是设计控制系统必须考虑的三个核心问题。相对而言，压区压力控制以及扭矩控制，由于其控制对象相对较为单一，控制手段较为明确，控制过程易于实现，所以对这两个控制环节的研究，不在于怎样去实现控制，而在于如何评价控制效果的优劣，从而能够得到针对不同纸种的最佳控制曲线，进而提出对设备结构的改进意见。因此对这两个环节的研究，其意义重大。相比之下，纸幅张力控制效果的好坏，则在很大程度上依赖于控制系统本身的设计是否科学合理。其中牵扯到驱动电机的选择、驱动装置的选择、控制方案的制定等等因数。而控制方案的制定无疑是问题的关键，目前国产复卷机的控制系统，大致可以分为两类直接张力控制方案、间接张力控制方案。而在电机的选择上，几乎全部是直流电机驱动，即所称的直流复卷机。从控制方案上看，所谓直接张力方案，是指系统安装有张力传感器，从而形成张力闭环。这种方案的优点是控制结构简单，控制响应迅速，但很难兼顾控制响应的快速性和控制的平稳性。例如当车速发生变化，尤其是在降速时，由于张力检测的失效，会导致系统做出过激反应，从而造成断纸3。间接张力控制方案是指系统没有张力反馈，对张力的控制是建立在对纸幅张力的理解上，配合驱动装置，实现对张力的恒值程序控制。两种控制方案各有优缺点，对于直接张力方案而言，它不仅有难于兼顾稳定性的缺点，同时在实现上也有一定难度。首先是其价格问题，国产复卷机的市场售价普遍偏低，而张力传感器的价格基本要占到总成本的10；其次，抗震动性能差，复卷机是高速运转的设备，整机的震动情况是比较恶劣的。引起震动的原因，不仅存在于设备制造、安装的精度上，同时纸卷在高速旋转时也是很大的震动源。由于纸张的横向（垂直于运动方向）定量不可能达到完全一致，例如克重、水分含量等指标常常在横向上呈不规则分布，从而导致纸卷（包括原纸卷和成品纸卷）的圆度不规则，尤其对于成品纸卷而言，由于其硬度很高，横向上定量偏差的累积会逐渐偏大，最终形成不规则的圆柱体，高速旋转下将产生剧烈震动。因此高速复卷机的震动是难以避免的，只能通过提高机加工精度、安装精度以及严格控制抄纸工艺来尽量减弱，而不能绝对消除4。在这种情况下，张力传感器信号的有效提取就碰到了障碍，所以完全依赖于张力传感器，建立单一的张力闭环控制系统是有问题的，常常不能取得理想的控制效果。综合几个因数来考虑，直接张力控制应当与间接张力控制方案相结合，才能发挥其响应快速的优势，同时避免其它方面的不足。而目前情况下，在设计复卷机电控系统时，以间接张力为主，张力反馈为辅的设计思路才是切实可行的。22课题的内容及分布在第三章中我们将讨论主传动为直流电机的复卷机电控系统的设计，具体讨论系统控制功能设计、退纸辊电机的控制方案，包括直接控制方案及数学模型的建立、间接控制方案及数学模型的建立以及动态补偿。第四章我们将根据一套具体的复卷机设计其硬件配置，具体包括选型的依据、退纸辊的电机选型以及双底辊的电机选型并举例说明。在第五章中我们将分析退纸辊完成退卷张力的控制，具体包括系统硬件结构图、退纸辊电机的调速控制方式、张力控制的组态以及PLC程序和OP270的组态。3主传动为直流电机的复卷机电控系统的设计31纸卷质量指标及影响成品纸卷形态的因素不同类型的纸应选用相应类型的复卷机来进行复卷，复卷出的成品纸卷的质量指标不同，它们对复卷机自动控制系统的要求也是不同的,下面介绍双支承辊下引纸复卷机的自动控制系统主要应用于复卷书写纸、静电复印纸、板纸等的复卷，对于这类纸种的成品纸卷的质量指标有具有足够的硬度，而且内紧外松、径向硬度分布均匀，以保证纸卷在运输、储存过程中不变形、不崩裂，在印刷设备或其它加工设备上能平稳运行。纸卷形态的优劣在很大程度上取决于复卷机的性能。双支承辊下引纸复卷机影响成品纸卷形态的主要因素有（A）退卷纸幅张力控制。（B）压纸辊的压力控制。（C）前、后底辊之间的转矩程序控制。（D）S曲线特性的升、降速控制。若希望得到优良的纸卷，就必须使复卷机具有上述四种功能，而且这四种功能是相互关联的，只有当全部功能适当的配合时才能达到最佳效果。当然如果对纸卷形态要求不甚严格时（例如纸卷不是用于高速印刷机时）为了减低造价，简化系统，也可以对四种功能作某些简化。其中纸幅张力控制是保证纸卷形态至关重要的因素之一，纸幅张力最重要的作用是展平纸幅，同时稳定的纸幅张力还将避免纸幅横向偏移。在复卷过程中，纸的张力大小主要由纸种来决定，通常为约为032千牛/米。正确地选用纸的张力能在一定程度上改善纸卷的质量，减少断头，保持复卷机工作稳定。因此，复卷机的传动应自动保持张力稳定，并能根据生产需要进行调节。调节范围通常为14，张力最大波动值不应超过正负10。在复卷过程中，纸幅张力随着位置和时间的变化而变化，然而纸幅张力的调节受其它因素的限制很大。如纸幅张力太低，纸幅将松垮或在卷取辊上打滑如太高，则残余应力过大，甚至爆卷或损伤纸芯。因此，要得到很好的纸卷，就要求相应复卷设备具有良好的纸幅张力控制系统，以控制张力于设定值范围内。32系统总体控制方案由于复卷机在生产过程中要求引纸时退纸辊电机工作在电动状态，正常运行时又要求工作在发电制动状态以保持纸的张力的恒定，而且在断纸时能快速制动，而直流传动能方便地实现这些功能。采用直流传动方式，由前底辊、后底辊、退纸辊三个传动点组成,其中后底辊为主令单元。前、后两底辊采用调压调速方式，退纸辊在基速以下采用调压调速、基速以上采用弱磁调速；而前、后底辊一般都工作在恒磁通电动方式下，只有在断纸或要求快速制动时可采用回馈制动。对于三个传动点的主回路控制，总体上都采用转速电流双闭环控制，由590内部模块组态来实现；在后底辊需加入速度给定积分环节、S型升降速环节；在前、后两底辊间要加入速差控制、负荷分配控制；在退纸辊须加入弱磁控制、转矩控制、电流控制、点动控制、退卷张力控制等。对于两底辊与退纸辊之间的纸幅张力控制子系统，这是复卷机电控系统的关键部分。它的稳定与否直接关系到复卷质量。如对系统的控制精度要求不高，可采用间接张力控制；如对系统控制的灵敏度及精确性要求较高，应采用直接张力控制。压纸辊的压力控制采用带电液比例阀的液压控制系统。通过控制电液比例阀的控制电压来释放压纸辊的压力，从而达到成品纸卷与两底辊间的压力恒定的目的。急停或断纸时采用回馈制动与抱闸制动相结合的快速制动方法。系统以后底辊电机为主传动点，前底辊和退纸辊为从传动点,速度给定值给出到后底辊，再由后底辊经外部连线传输到前底辊与退纸辊。圆刀采用交流变频传动，其车速随着后底辊的车速变化而变化，并高出几个百分点。系统应充分利用所选设备，达到快速、稳定、精确的目的。利用590能完成的任务尽量让它来完成，而PLC用于总体管理、压纸辊的压力程序控制、退纸辊的直接张力控制等。33系统控制功能设计331压纸辊的压力控制卷取过程中成品纸卷的直径在逐渐增大，成品纸卷的重量在逐渐增加，成品纸卷与两底辊的接触点也在改变，这就是说如果压纸辊施加的压力恒定的话，成品纸卷与两底辊的接触点之间的压力也在变化。为此如果期望最佳的纸卷形态的话，就必须借释放压纸辊施加压力负荷来补偿上述两项因素的影响，才能获得成品纸卷与两底辊的接触点之间的压力恒定的要求。成品纸卷与两底辊的接触点之间的压力的数学模型分析如下图31压纸辊压力分析图31为压区压力分析图，设定F成品纸卷与底辊接触点之间的压力这一压力应保持恒定，根据纸种不同一般为30004000牛/米。B切边后纸幅宽度纸的比重D成品纸卷直径F1为保证成品纸卷与底辊接触点间的压力恒定，压纸辊应施加的压力F2成品纸卷的自重42BA压区压力与纸卷自重间的夹角G压纸辊自重由图知（32/1FCOSF1）式中（321212121DDORARAS2）将（32）代入（31）并整理得（34/21221BDDOF3）前面已经提到过，压纸辊压力一是保证纸卷与底辊间产生足够的摩擦力，使之不至于打滑；二是压纸辊压力将直接影响着纸辊硬度。为保证压区压力恒定，压纸辊液压系统释放压力特性为压纸辊自重减去（33）。显然压纸辊液压系统释放压力与成品纸卷直径之间的关系是非线性特性。在没有调整压纸辊压力的悬秤机构时，纸卷和支承辊之间的线压力5的增加速度稍慢于纸卷重量的增加速度（因为当直径增大时，A角减小，而COSA却增大），但它总是随着纸卷直径的增大而增加的。上面从推导的成品纸卷与两底辊的接触点之间的压力数学模型中，计算出了为了获得最佳纸卷形态,满足成品纸卷与两底辊的接触点之间的压力恒定的要求，必须释放的压纸辊施加的压力负荷的大小。具体做法是系统投入运行前，根据厂里经常生产的几种纸种，计算出压力与直径的关系曲线列表并存入PLC，运行时PLC检测直径的大小并查表即可。在调试时需要根据实际情况对曲线进行修正。在这里只简单说明控制程序的实现。这部分程序功能由PLC来完成，其主要程序流程如下检测压力给定值采样成品纸卷直径查表计算相应纸种的压纸辊压力大小计算液压系统应释放的压力大小输出到执行机构其中压力给定值可根据纸种及对成品纸卷的总体硬度要求来确定；成品纸卷的直径信号可由直径检测装置得到；相应纸种的压纸辊压力大小可根据工艺要求、从上面推导出的公式计算出，并在调试时进行现场调整。这一执行机构一般为液压式悬称机构。利用电液比例阀，改变悬称油缸内的油压就可得到不同的悬称力。系统中可由一个附着在压纸辊上的电位器指示成品纸卷的直径，电位器发出信号到PLC，在PLC内贮存有几种纸种的悬称程序曲线，由操作台上的程序选择器选择。程序曲线FF（D）表示悬称力与纸卷直径之间的关系，按照纸厂经常生产的几种纸种来计算决定，计算的方法如上所述。332前后底辊的负荷分配控制纸卷是在压纸辊与前、后底辊之间进行卷取的，如前所述在压区压力足够大，拉力恒定不变的条件下，成品纸卷硬度是由前底辊所承担的转矩决定的。对于双底辊复卷机，前后底辊分别由两台电机驱动，如果使用传统的速度控制方式来控制两台电机，电机的输出力矩是闭环控制的内环，在稳态条件下它响应负载的力矩进行输出，无法直接控制，达不到控制的目的。因此要把转速外环拿掉，仅剩下电流内环或者是转矩内环，这样就能直接控制电机的转矩了。这种控制方法又会带来一个新的问题当两台电机都使用转矩控制时，如果对负载性质无法确切了解，那么这种控制方案就无法实现。因此，可以考虑把两种控制方式结合起来即一台电机使用转矩控制，而另一台电机使用转速控制，这种控制方式的好处是一台电机使用转速控制，利用变频器良好的调速性能，使整个系统有一个速度的基准点；另一个传动点使用转矩控制，其速度完全由速度基准点决定。在此控制系统中，以后底辊为主传动点，后底辊的转速决定着复卷机的总车速，前底辊速度跟随后底辊的速度。即后底辊为速度控制，是整个复卷机的工作车速，前底辊是转矩控制。复卷机启动时，差不多全部转矩都要加在前底辊上，使纸卷卷的紧一些，随着纸卷直径的增大，要逐渐减小前底辊的转矩，使纸卷外层卷的松些。在此系统中，用两台变频器分别控制两台底辊电机的运行（变频器的具体选型在本设计的硬件配置部分），纸卷直径的大小和底辊电机的转矩经检测后的信号，送入PLC进行计算，算出电机的负荷分配系数K，再送给变频器，由变频器给出两台电机的转矩控制信号，进而实现了两底辊电机的负荷分配控制。由于成品纸卷要求内紧外松，径向硬度均匀变化，因此，要求负荷分配系数能够根据成品纸卷的直径而作相应的调整。成品纸卷直径小，则负荷分配系数应较大，随着纸卷直径增大，负荷分配系数相应减小，在每个成品纸卷的卷取过程中呈锥度变化。负荷分配系数的锥度变化曲线可以根据复卷纸的品种、形态要求不同而不同。调试经验表明，成品纸卷小时，负荷分配系数可以达到18左右，最后可以减小到08左右。在卷纸过程中，不断检测后底辊电机的转矩值T2，然后计算出前底辊电机的转矩值T1根据计算出的T1值由变频器给定前底辊电机，从而实现了负荷分配控制。2K333挠性起动及S型升、降速控制前面已提到，为了使纸幅不承受冲击张力，减少不必要的断头，复卷机的起动总是希望越平稳越好。给调速系统的转速电流双闭环前加入给定积分器，有利于复卷机的平稳起动，给定积分器的时间常数越大，系统起动越平稳。因整个系统以后底辊为主令单元，所以这部分功能可由后底辊590的组态完成。后底辊的给定通过给定积分器、设定值合计后送入速度、电流环，给定积分器的积分时间常数可由S型斜坡函数发生器的上升及下降时间等参数来进行设置。单纯的转速电流双闭环可逆直流调速系统具有快速起动、制动的性能，这对于某些设备来说这可能是很好的调速系统，但却不适合于复卷机。因为复卷机需要先以引纸速度把纸引入到两底辊上的卷纸辊上，停下来粘贴接口，接好后再打到运行位置，开始以运行速度起动运行。为了使接好的纸幅不承受冲击张力，应使复卷机尽可能平稳地起动，即应有一个“挠性”起动的过程。因此需要在双闭环调速系统给定信号的输入端设置给定积分器，以使实际加到速度环的输入信号是一个平稳上升的斜坡信号，而不是一个可以突变的量。改变给定积分器的积分时间常数，即可改变斜坡信号的上升斜率。图32为给定积分器的输出波形。从图中可看出，在0T1时间内，速度给定信号UGN以斜率KG线性上升，在T1以后，UGN等于突加的给定信号，并保持不变。其相应的系统起动过程也分为两个阶段。（1）线性跟随阶段（0T1）当斜坡信号加到ST输入端时，调节器输出按比例积分规律上升，相应电枢电流、电动机转速随着上升。在开始阶段，由于惯性的作用，电动机转速及反馈电压跟不上UGN的变化，使偏差信号大于0，所以ST输出信号继续上升，使电枢电流继续加大，电动机不断加速。由于速度环一般都设计成二阶无差系统，所以系统对速度输入的稳态跟踪误差为零。因此经过0TP短暂的暂态响应后，系统进入稳态跟踪过程，即转速反馈UFN达到了UGN的值，并跟上UGN的变化速率。此后，UFNUGNKGT同步上升，在ST输入端始终保持UNUGNUFN0。于是ST的输出电压UGI保持TP时刻的值不变，相应的电动机电流也保持不变，电动机以恒定的加速度上升，起动过程的转速、电流波形如图33所示。从图中可看出，与不带给定积分器、ST具有饱和非线性的起动过程相比，除起动过程的初始阶段0TP略有不同外，两个系统都以恒定加速度上升到给定转速，完成起动过程的第一阶段。（2）超调与进入稳态阶段（TT1）在TT1时刻，给定积分器稳定到给定值UGD。此时，ST的输入偏差UNUGNUFN95后，E95，电动势反馈信号，使AER退NOMNOMEEUE出饱和，从而使励磁电流给定下降，通过AFR实现弱磁调速。由于电动势给定值IFU恒定，AER为PI调节器，所以在弱磁调速区域内，AER都力图维持电动机反电动势恒EU定。弱磁调速过程中，转速给定信号高于额定转速所对应的反馈信号，只要实NN际转速还没有达到要求的转速，则，ASR仍处于饱和状态，电枢电压仍处于所决定的最大值，电流给定也仍为最大值，使电动机继续升速。随着转速的上升，CTM反电动势就要上升，电动势信号亦企图上升，经过AER、AFR使励磁电流减小，因而EU转速得以升高。直到，电动机达到所需转速，并稳定运行。这样，在基速以NN上，ASR仍起转速调节作用，ACR的输出限幅限制了最大电枢电压。由于反电动势维持恒定，电流受ACR的调节，电枢电压不会再升高，AER和AFR在维持反电动势不变的条件下控制励磁电流，实现了弱磁调速过程。53张力控制间接张力控制具体可以这样实现退卷卷径D可安装电位器进行测量也可利用590的卷径计算器模块来计算出。卷径计算器是利用线速度与角速度的比值计算出卷径的；T值由外部电位器通过模拟量输入端子按要求给定；通过合计值计算模块计算出TD；由上升下降模块计算出1/值；利用PID模块计算出IA；TDK接下来的任务是怎样让计算出的电枢电流值来控制电枢的实际电流。需考虑以下两方面的因素一方面，退纸辊在引纸过程中，电机电流的给定值应由速度环给出，因而引纸时应工作于一般的速度电流双闭环状态；另一方面，在正常运行时，电枢电流应满足张力给定值的需要，即应由上面计算出的电枢电流作为电流环的给定值。综合两方面的因素，可以这样来处理把上面计算出的电流值作为电流环的限幅值，不改变默认的双闭环组态，但是在正常运行时给速度还的速度给定设置一个反方向的值，则实际运行时，由于前后底辊通过纸幅的拉力作用，使得退纸辊实际是作正方向运行，这样退纸辊的速度环就达到饱和状态并输出一个正的最大值作为电流环的给定值，使电流环饱和，这时的电流给定值的大小由电流限幅值决定，而这个限幅值就是上述由间接张力扰动补偿计算出的值。这样处理的好处有三个图53间接张力控制组态图A引纸时有一定的引纸张力；B引好纸后打到运行位最初时，退纸辊有缓慢向反向运行的趋势，使得纸幅在起动时有个起动张力，这样不至于使纸幅承受冲击张力而造成断纸；C在正常运行时，对退纸辊的电机转速不进行刻意的控制，而只控制电机电枢电流，使得电机的制动转矩达到保持张力给定值所需要的值，实现对运行时的张力控制。这样做计算简单而且控制较精确。其具体的组态图如图53所示。间接张力控制的特点是投资少，控制简单且较易稳定，但控制精度不高。直接张力控制是利用张力计把纸幅张力检测出来，按负反馈原理，要控制哪个量，就引入哪个量的反馈信号，即把张力信号转换成相应的电信号，反馈到张力调节器输入端与张力给定值比较，组成张力闭环调节系统。这种系统原理简单，很容易理解。但直接张力控制要求设备本身的特性好，如果设备本身存在震动、抖动等机械噪声，则会干扰张力计的正常工作。有鉴于此，我们一般采用采用间接张力与直接张力相配合的控制方法。这时间接张力控制实际上相当于是个前向通道，而直接张力PID控制只是作为一个微调量，这两个量叠加后再计算得出实时卷径及实时磁场下电机应有的制动电流。这样做用间接张力控制首先保证系统的稳定，再用直接张力控制进一步使张力得到更精确的控制，还有一个好处，那就是当张力检测方面出现问题时，可以经过简单的改动使系统工作在只有间接张力控制的模式下，系统仍然能够照常运行。图54直接张力控制组态图590组态基本上还是按照前面间接张力控制的组态格局只需要在此基础上再叠加直接张力控制部分，如图54所示6。大体上看，系统是张力、转速、电流三闭环控制系统。但实质上只是张力、电流双闭环。这是因为在稳定运行的过程中，转速环一直是饱和的，相当于转速环开环。原理跟前面间接张力控制的原理一样，即为了使纸幅在由引纸向运行状态转换的过程中能平稳过渡，应先使退纸辊电机有个向后转的趋势而先把纸幅拉平，达到这一目的的办法是给退纸辊的速度给定给上一个负方向的转速给定值，在稳态运行时，转速环一直工作在饱和状态。张力环的输出及相当于前向通道的间接张力控制环的输出相叠加，经过一定的计算后作为电流环的限幅值。这个电流限幅值虽然不是加在电流环的给定端，但它的作用是一样的，因为转速饱和后输出到电流环的值是转速环的一个固定的限幅值，它使电流环也达饱和而输出电流限幅值，而这个限幅值是经过计算后不断调整的，从而使张力可以保持恒定。通过以上分析可知，此时的系统跟直接张力控制的方式是一致的，事实已经证明，它是完全可行的。55PLC程序及OP270组态（1）PLC负责包括主传动与主要辅助传动的电气连锁与速度自动控制；放卷张力自动程序控制、压纸辊的压力程序控制；前、后底辊的负荷分配控制；连锁控制与保护控制等。程序流程图如图55图55张力控制系统软件流程图程序流程图说明按下开始按键，复卷机开始工作。接着是初始化，读入从触摸屏所设置参数值以及程序内所设置的各参数的初始值。按下引纸按键，开始引纸，复卷机以一定的引纸张力运行。引好纸后，按下卷纸按键复卷机按照设定的速度以恒张力运行。正常运行时，两底辊之间要有负荷分配，使得卷出来的成品纸卷负荷一定紧度和内紧外松的要求。在复卷机正常运行的过程中，要时刻监视是否有断纸，如果有，则系统自动紧急停车，以减少损失；如果没有，则复卷机继续正常的卷取运行。（2）OP270的组态OP是通过手工组态，计算机自动编译生成程序的。因此，OP的编程实际就是组态的过程它使用的软件是西门子公司的PROTOOL。可运行于WINDOWSXP系统中。（A）OP与PLC的联系物理联系OP与PLC可以通过多种方式联系，与S7型的PLC联系是使用9针的D型头，双绞线，以及DP接线端子。逻辑联系首先选择与PLC的通讯协议、PLC及DP的地址。然后在“区域指针”中指定接口区（此系统中使用默认的接口区）。OP的DP地址设为7，PLCCPU的地址为10，通讯速率为12MBPS。（B）OP的组态元素SCREEN屏幕OP的组态是以屏幕为单位的，一屏显示一个主题及各个内容。如上功能说明中所显示的内容。对SCREEN进行组态，除了对画面进行组态还要对屏幕周围的绿色功能键进行组态，这样才会使按钮有功能，而没有赋予功能的按钮是没有作用的。其中比较重要的是“STARTSCREEN”即启动屏幕，是指系统进入的第一个画面，没有它OP无法工作。在打开一个SCREEN后，在SCREEN菜单中的“属性”项，选中“启动屏幕”项即可。表51SCREEN功能表名称SCREEN名称功能1主界面MAIN主画面2操作面板PANEL特殊功能操作3参数设定PARAMENT设定主要运行参数4仪表面板SHOWER显示系统运行参数5变频器监控MASTER监视变频器运行状态6系统设置SYSTEMSETUP设置OP相关参数MESSAGE消息包括一般消息及报警消息。消息是OP对应于PLC提供的一种特殊功能，但是消息的来源是在PLC编制的相应和响应的程序。在前述的“区域指针”中定义消息的缓冲区，及数据区。VARIABLES变量变量包括内部变量（NONPLC），PLC变量（PLC）。内部变量仅供OP内部使用，PLC变量是OP与PLC通讯的基础。PLC变量有多种数据类型，与PLC本身的数据类型相一致，包括布尔形、整形、实形等等。可以直接指定变量在PLC中的地址。通过变量可以将PLC中的数据开关量、模拟量、其他数据传送到OP上供显示用。KEYS按键OP的KEYS分为可组态键和系统键。系统键是不可以组态的，它包括数字字母键，ESC，上下左右键等。可组态键分为与屏幕相关F功能键，与屏幕部相关K键F键的特点是键的功能可以随着屏幕的不同而不同，因此这14个键可以执行数百个功能，对于不同的屏幕每个键都可以有不同的功能；而K键则与屏幕无关，该键的功能不论哪个屏幕都是一样的。通过对这些键的合理组合可以获得很大的灵活性。结束语展望高性能复卷机张力控制系统设计现代复卷机的发展趋势是高车速、高自动化，目的就是尽量提高复卷机的生产效率，以期为抄纸机车速的提高打开更大的空间，而纸张抄造速度的提高，不仅可以大幅提高产量，同时对能源、原材料等的使用效率也会得到提高。在复卷机车速提高的同时，对复卷质量的要求也在进一步提高。本论文第二章中简要介绍了影响复卷质量的三个因数纸幅张力、压区压力、扭矩。就目前国产复卷机的现状来看，对于这三个部分的研究工作都有待于进一步的深入。单从纸幅张力控制这一点来看，在本论文所探讨的转速控制方案的基础上，如果配合以高质量的半径检测传感器，例如超声波传感器，那么转速控制的实现就会变得非常简单，通过纸张厚度计算半径的过程就可以省掉，而且由于初始半径的误差带来的张力波动也不存在了。更重要的是，由于不需要对纸张厚度值进行现场整定，因此这种方案对纸张的适应能力将大大提高。高车速复卷机的设计，还必须考虑震动的影响。高车速下，由于纸卷形状不规则造成的震动在所难免，成品纸卷直径越大，引起的震动越剧烈，因此高车速复卷机电控系统的设计应当考虑到这个因数的影响。进口复卷机上的解决方法是通过安装震动传感器，在线监测设备的震动情况，当震动达到一定程度（可人工设定）后，控制系统自动将车速下降20。本文认为这个方法很有借鉴价值，通过设定合理的震动临界参数，可以在允许的情况下尽量提高车速，并且能够为设备的运行情况、纸张抄造、设备结构设计的改进等方面提供合理而具体的建议与解释。再进一步，就是考虑采用张力传感器，实现张力闭环的问题。这一步的实现应当有两个前提设备制造精度及安装精度的提高、造纸工艺的稳定与提高。这两方面的改善，有利于减轻设备的震动程度，不仅有利于车速的提高，同时也为