森蘭SB80B在薄膜卷繞機上的應用

工業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，可以發現薄膜卷繞機對于張力的精度要求比拉絲機高，而且卷徑的變化范圍很大，如果像拉絲機的設計方案一樣只采用PID修正從機轉速的話，PID修正量很大，PID參數不易調節，控制性能不能保證。而且薄膜卷繞機與拉絲機有一個不同在于：薄膜卷繞機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部褶皺。因此薄膜卷繞機的張力控制方案必然要比拉絲機的方案復雜。但是我們認為，森蘭SB80B機器完全可以通過對現有功能進行設置，充分利用算術單元和計數器等功能，實現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（加工機）運行頻率和卷繞薄膜的實時卷徑計算出相應的從機（收卷機）主給定頻率，以此作為前饋；同時用PID調節器控制薄膜的張力PID輸出，對給定頻率進行不斷修正，將修正后的頻率作為收卷電機的給定頻率。這種前饋和反饋共用的復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這種控制，使用方便，方法靈活。系統控制框圖如下：

森蘭SB80B薄膜卷繞機張力控制系統圖

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，由用戶設定，范圍為0～100％；
主機的模擬運行頻率（代表線速度）由AI1輸入
計圈信號使用光電開關由“計數器增”輸入。
PID反饋值由張力傳感器向AI2輸入；
外加卷徑復位信號對計數值進行預置初值。
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。根據這三個值，計算出參數設置所需要的幾個數值，具體包括：
1．初始卷徑百分比值D0＝初始卷徑/最終卷徑。
2．計數器設定值＝最終卷徑/(薄膜厚度×2)。
3．計數器預置值＝初始卷徑/(薄膜厚度×2)。
以下面的例子說明：
假設薄膜的最終卷徑為1000mm，初始卷徑為100mm，薄膜厚度為0.05mm,則:
D0＝100/1000＝10％；
計數器設定值＝1000/(0.05×2)＝20000；
計數器預置值＝100/(0.05×2)＝2000。
此時計數器計數值（以設定計數值為100％）就相當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％）。計數器的掉電記憶實現了卷徑掉電記憶功能，計數器復位實現了卷徑復位到初始卷徑的功能。
主機頻率為F0，從機頻率為F，當前卷徑值為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)；
先通過算術單元3算出 D0/D的值；再通過算術單元2計算F0（即AI1）乘以算術單元3的輸出，即為F的值。此時算數單元2的結果即為收卷機的主給定頻率，所以將收卷機的頻率給定通道設成算術單元2給定。這樣就完成了收卷機主給定頻率的設定。
第二部分：PID的給定計算。
采用閉環張力控制的方法，PID的給定值應該設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，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，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。
于是由算術單元4算出T0×K×(D0/D)的值，其中D0/D為算數單元3的結果，T0×K為數字設定；再由算術單元1計算出T，即T0×(1- K)＋T0×K×(D0/D)，其中T0×K×(D0/D)為算術單元4的結果，T0×(1- K)為數字設定。
此時，算術單元1的結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單元1給定。這就完成了PID給定通道的設定。
至此，就完成了張力控制方案設計。此外，還要把控制需要的一些外部接線和參數設置做好；包括將主機的運行中信號作為從機的起動信號，使從機跟隨主機運行；根據實際情況調節PID的相關參數，達到最好的控制效果等。
在出廠值上有變更的參數如下：

現場運行情況如下：當主機開始起動后，從機接受起動信號開始起動，并根據卷徑的變化和張力傳感器的反饋不斷調整輸出頻率，使張力傳感器以基準位置按張力錐度要求隨卷徑變化，卷繞電機一直穩定運行。減速過程中張力傳感器也沒有大的偏移，直至停機。（如果需要在停機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象發生。用戶還可以隨時查看當前的卷徑值、設定張力值、實際張力值，實時監控性能很高。
森蘭SB80B在薄膜卷繞機上的應用獲得了成功。由于森蘭SB80B強大的可編程功能模塊和方便的應用方法，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計、設備安裝和現場調試的全部工作，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。