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森兰SB80B变频器在薄膜卷绕机上的应用

供稿:希望森兰科技股份有限公司 2006/5/13 22:54:00

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工业上常见的薄膜卷绕主要包括布、纸张、塑料薄膜等。通过实地考察,可以发现薄膜卷绕机对于张力的精度要求比拉丝机高,而且卷径的变化范围很大,如果像拉丝机的设计方案一样只采用PID修正从机转速的话,PID修正量很大,PID参数不易调节,控制性能不能保证。而且薄膜卷绕机与拉丝机有一个不同在于:薄膜卷绕机对于薄膜的张力要求是随卷径增大而不断变化的,这样就不能像拉丝机那样使用固定的张力给定,即需要张力锥度控制,防止损伤卷轴或造成内部褶皱。因此薄膜卷绕机的张力控制方案必然要比拉丝机的方案复杂。但是我们认为,森兰SB80B机器完全可以通过对现有功能进行设置,充分利用算术单元和计数器等功能,实现薄膜卷绕所要求的张力控制。方案如下:
由代表薄膜线速度的主机(加工机)运行频率和卷绕薄膜的实时卷径计算出相应的从机(收卷机)主给定频率,以此作为前馈;同时用PID调节器控制薄膜的张力PID输出,对给定频率进行不断修正,将修正后的频率作为收卷电机的给定频率。这种前馈和反馈共用的复合控制方法控制精度很高,很多张力控制专用的变频器都使用了这种方法。而森兰SB80B可以通过可编程模块来编程实现这种控制,使用方便,方法灵活。系统控制框图如下:



森兰SB80B薄膜卷绕机张力控制系统图
注:图中D0为初始卷径百分比值,以最终卷径为100%;
T0为初始张力值,以张力传感器最大张力为100%;
K为张力锥度系数,由用户设定,范围为0~100%;
主机的模拟运行频率(代表线速度)由AI1输入
计圈信号使用光电开关由“计数器增”输入。
PID反馈值由张力传感器向AI2输入;
外加卷径复位信号对计数值进行预置初值。下面分两部分来说明这种组合方法。
第一部分:收卷机给定频率的计算。
用户需要知道三个值,分别是初始卷径、最终卷径和薄膜厚度。根据这三个值,计算出参数设置所需要的几个数值,具体包括:
1.初始卷径百分比值D0=初始卷径/最终卷径。
2.计数器设定值=最终卷径/(薄膜厚度×2)。
3.计数器预置值=初始卷径/(薄膜厚度×2)。
以下面的例子说明:
假设薄膜的最终卷径为1000mm,初始卷径为100mm,薄膜厚度为0.05mm,则:
D0=100/1000=10%;
计数器设定值=1000/(0.05×2)=20000;
计数器预置值=100/(0.05×2)=2000。
此时计数器计数值(以设定计数值为100%)就相当于一个卷径传感器的输出信号,即为实时的卷径值D(以最终卷径为100%)。计数器的掉电记忆实现了卷径掉电记忆功能,计数器复位实现了卷径复位到初始卷径的功能。
主机频率为F0,从机频率为F,当前卷径值为D(以最终卷径为100%),则可以知道:
F0×D0 = F×D;
即可以算出F = F0×(D0/D);
先通过算术单元3算出 D0/D的值;再通过算术单元2计算F0(即AI1)乘以算术单元3的输出,即为F的值。此时算数单元2的结果即为收卷机的主给定频率,所以将收卷机的频率给定通道设成算术单元2给定。这样就完成了收卷机主给定频率的设定。
第二部分:PID的给定计算。
采用闭环张力控制的方法,PID的给定值应该设定为用户需要的张力值。但是,用户需要的张力值并不是一个常数,而是一个随着卷径变化而不断变小的值,即张力有一个锥度。如下图:


张力锥度示意图
张力的锥度公式为:
T = T0×[1-K×(1-D0/D)]
= T0×(1- K)+T0×K×(D0/D)
其中T为实际的理想张力(以张力传感器最大张力值为100%);
T0为初始张力值(以张力传感器最大张力值为100%);
K为张力锥度系数,范围为0~100%;
D0为初始卷径(以最终卷径为100%);
D为实时卷径(以最终卷径为100%)。
其中T0×(1-K)和T0×K都是常量。
于是由算术单元4算出T0×K×(D0/D)的值,其中D0/D为算数单元3的结果,T0×K为数字设定;再由算术单元1计算出T,即T0×(1- K)+T0×K×(D0/D),其中T0×K×(D0/D)为算术单元4的结果,T0×(1- K)为数字设定。
此时,算术单元1的结果即为用户需要的实时张力值,将PID的给定通道选择为算术单元1给定。这就完成了PID给定通道的设定。
至此,就完成了张力控制方案设计。此外,还要把控制需要的一些外部接线和参数设置做好;包括将主机的运行中信号作为从机的起动信号,使从机跟随主机运行;根据实际情况调节PID的相关参数,达到最好的控制效果等。
在出厂值上有变更的参数如下:
参数 参数名称 设置值
A0-05 运行命令通道 1
F0-00 频率给定通道 8
F1-01 加速时间1 10s
F1-02 减速时间1 10s
F2-01 启动频率 0
F6-00 PID控制功能选择 4
F6-01 给定通道选择 6
F6-02 反馈通道选择 2
F6-06 PID的比例增益 0.1
F6-07 PID的积分时间 5s
F6-13 PID偏差极限 0
F6-16 PID上限幅值 20%
F6-17 PID下限幅值 -20%
CL-24 计数器增脉冲指令 54
CL-26 计数器预置值 2000
CL-27 设定计数值 20000
CL-29 算术单元1的输入1 28
CL-30 算术单元1的输入2 31
CL-31 算术单元1的算术关系 0
CL-32 算术单元1的数字设定 T0×(1- K)
CL-33 算术单元2的输入1 27
CL-34 算术单元2的输入2 14
CL-35 算术单元2的算术关系 2
CL-37 算术单元3的输入1 31
CL-38 算术单元3的输入2 33
CL-39 算术单元3的算术关系 3
CL-40 算术单元3的数字设定 D0
CL-41 算术单元4的输入1 31
CL-42 算术单元4的输入2 27
CL-43 算术单元3的算术关系 2
CL-44 算术单元4的数字设定 T0×K
现场运行情况如下:当主机开始起动后,从机接受起动信号开始起动,并根据卷径的变化和张力传感器的反馈不断调整输出频率,使张力传感器以基准位置按张力锥度要求随卷径变化,卷绕电机一直稳定运行。减速过程中张力传感器也没有大的偏移,直至停机。(如果需要在停机时保持张力可以采用森兰SB80B的零伺服功能。)整个过程中没有变形或松弛现象发生。用户还可以随时查看当前的卷径值、设定张力值、实际张力值,实时监控性能很高。 森兰SB80B在薄膜卷绕机上的应用获得了成功。由于森兰SB80B强大的可编程功能模块和方便的应用方法,很容易完成了带前馈速度计算和张力锥度的张力控制方案的设计、设备安装和现场调试的全部工作,取得了满意的效果。可以看到森兰SB80B无需专业功能模块就可以成功地在一些要求很高的张力控制场合使用。

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