薄膜分切机的废边收卷机实用控制应用

第47卷第10期

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CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT (PLASTICS)

橡塑技术与装备（塑料）

作者简介：张帆（1989-），男，机电助理工程师，从事纸张、薄膜、吹膜类自动化设备设备电气设计工作。

收稿日期：2021-02-26

废边收卷机广泛应用于薄膜分切机的裁切废边卷取，配套此设备可以减少分切机浪费两个工位用来卷取裁切的废边的现象，可以有效提高分切机的工作效率。张力控制是卷绕系统的核心重点，良好的张力控制能有效地使载带收卷到卷筒上，并控制张力的稳定，不发生张力波动，避免发生载带挤压、断裂等现象。

1　收卷机械组成

该设备机械部分由分切机刀槽辊和收卷机组成，如图1所示。R1为刀槽辊，也做为系统的速度辊，由电动机驱动，辊面上有分切刀，可以将放卷过来的薄膜材料分切为不同的规格，其中两边的废边条由废边收卷机的卷绕辊卷R2取收集，卷绕辊也由电动机进行驱动。可以注意到的是，废边载带在卷取之前有经过摆辊机构R3，摆辊以支架中心做来回摆动，其往废边载带卷取的方向安装有气缸，当气缸接入压缩空气时，作用于载带上的张力为辊重力在卷取方向分力与气缸对其作用力之和。由于摆辊摆角较小，摆动过程中重力分力基本不变，因此直接改变气缸的压力就能调整薄膜的张力，张力大小与膜卷直径无关。气缸旁装有滑动变阻器，可以随着摆辊摆动改变施加在变阻器的反馈电压，控制器接收反馈电压信号可以检测出张力的变化，从而进行PI 调整后控制卷取速度，保持薄膜张力恒定。此外，废边收卷机有一个横向摆动丝杆，在废边卷取时可以进行横向来回游动，丝杆由电机和行程开关等部件进行左右正反转运动以实现来回游动，以保证废边在卷绕辊卷取的横向均匀性。采用浮动辊测量张力，能有效克服张力突变，缓冲载带的

拉伸，防止载带断裂，有利于提高生产效率。

图 1　废边收卷机系统简图

2　张力控制实现方法

所谓载带卷取张力，其实从本质上来看就是收卷在卷绕时卷材保持与速度辊载带主速度形成一定的微小正速度差，要控制张力稳定，则需要控制卷材的线速度基本恒定，即卷材线速度V 2=V 1+d V ，V 1为速度辊主速度，d V 为速度差，也就是形成张力的表现。由于卷材在卷绕过程中直径会不断增大，所以在控制上不能够给定固定的线速度给电动机，这就需要进行卷材的卷径计算，因为卷材线速度=P i ×卷径 × 电动机转速 / 传动减速比，其中速度辊的主速度V 1是已知的，那么最重要的就是计算出当前卷径。

常用的电动机驱动系统是由变频器控制电动机转速，而变频器的转速指令来源是上位控制器比如PLC 的模拟量输出模块给定的0~10 V 模拟量，模拟量为

薄膜分切机的废边收卷机实用控制应用

张帆，陈奕良

(广东金明精机股份有限公司，广东汕头 515098)

摘要：介绍了一种薄膜分切机的废边收卷机张力控制系统。首先介绍了收卷部分机械结构，介绍了张力传感器—摆辊的基本原理，接着提出了一种建议实用的张力闭环速度控制模式，分析其控制结构，其PID 控制算法采用速度式PID 算法，最后阐述了此控制系统的实用性与优越性

关键词：收卷机；卷径计算；摆辊；PID ；自动化中图分类号：TQ330.493

文章编号：1009-797X(2021)10-0046-03

文献标识码：B DOI:10.13520/jki.rpte.2021.10.010

张帆等·薄膜分切机的废边收卷机实用控制应用

2021年第47卷

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零时对应转速指令0 r/min ，而模拟量满量程10V 时对应最大转速指令比如1 500 r/min 。于是在本文控制系统中，变频器的速度模拟量给定满量程=Pi ×卷绕辊直径（就是空卷径） ×电动机最大转速/传动减速比。

在卷绕过程中，开始时卷材作用在摆辊上的拉力与摆辊自身的重力和气缸的推力相平衡，摆辊处于中间的平衡位置。随着卷径的等大，摆辊向卷取方向摆动，带动滑动变阻器滑动，使变阻器反馈电压偏离了原平衡点电压值即“电子尺电压SV”。当前信号“电子尺电压PV”与“电子尺电压SV”比较，得出偏差值，经过经典比例积分运算后，调整PI 控制器输出值百分比，使电动机转速下降，摆辊又回到原来得

平衡位置，从而卷材得张力恢复到设定张力。在整个卷绕过程中随着膜卷直径的增大，电机转速不断进行调整，使薄膜载带的张力保持恒定。

3　收卷机的速度控制

3.1　速度给定的方法

上文提到的摆辊PI 控制器的输出值百分比，如果直接给定到卷绕辊变频器的速度给定，那100%的输出就是对应最大转速，这样简单粗暴的给定方式显然是不合理的，容易造成卷绕速度波动大、张力控制难以稳定、甚至载带断边飞车等现象。

一般卷取机的最大线速度和主机速度辊的最大线速度是基本一致的，所以变频器的模拟量速度给定可以乘上（速度辊当前主速度V 1除以卷取机最大线速度），这样就算PI 控制器输出100%时，卷绕辊在空卷状态下的最大速度也基本和速度辊的主速度一致，这样在起卷收卷的过程中都会比较平稳，摆辊也可以迅速做出预期内的反应动作。然而要取到最佳的控制效果，则必须让上文所讲的卷径计算参与其中，因为卷绕过程中直径是不断增大的，如果只是给定固定的主速度V 1过去，卷绕辊的基本角速度是不会随直径递减的，这时将V 1乘上空卷径后除以估算卷径，就可以得到会随直径增大的递减主速度。

本文的控制系统的收卷机速度控制的程序代码如下：

#收卷最大线速度 := #空卷径 * 3.141593 * #输出最大转速 / #减速比;

#速度系数 := (#主速度+#偏置速度) * #空卷径) / (#收卷最大线速度 * #估算卷径);

"模拟量速度给定#变频器" := - REAL_TO_

INT("PID_Compact_摆辊".Output * 276.48 * #速度系数);

//注："PID_Compact_摆辊".Output 为0~100，而模拟量0~10V 对应的程序数字量是0~27648

3.2　卷径计算的方法

2012广东高考数学主流卷径计算的方法有速度计算法、度积分法、外部卷径传感器输入法。度积分法根据材料厚度按卷筒旋转圈数进行卷径累加或递减，对于线材还需设定每层的圈数和求输入材料厚度，操作较为繁琐。而外部卷径传感器输入法需要购置和安装卷径传感器，在大多场合也并不方便。所以本文控制系统采用的是速度计算法，通过系统当前线速度和变频器输出频率计算卷径。

公式如下：D =i V

πn

D ——所求卷径；

I —

—机械传动比；n ——电机转速；V ——线速度。

但需要注意的是，上面公式中的n 实际电机转速在许多控制系统中并不能获得，因为必须从变频器读取，读取的方式一般为通讯或者模拟量输入，这样上位机系统必须增加通讯模块或者模拟量输入模块，因为成本因素很多低端机型并不具备这样的条件，所以本文的控制系统就解决了这个难题。本文的解决方案是利用摆辊处于平衡位置时的变频器的模拟量速度给定做为当前的电机转速来进行卷径计算，程序代码如下：

"R_TRIG_DB#diam"(CLK:="Clock_2Hz");IF "R_TRIG_DB#diam".Q THEN //每0.5s

进行速度采样

IF #主速度 > 5 AND ABS ((#电子尺电压PV1 -#电子尺电压SV1) * 100 / #电子尺电压SV1) < #电压稳定量 THEN

#卷径计算count := #卷径计算count + 1; #输出值sum := #输出值sum + INT_TO_REAL ("模拟量速度给定#变频器")/27648;

ELSE

#卷径计算count := 0; #输出值sum := 0; END_IF;END_IF;

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CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT (PLASTICS)

橡塑技术与装备（塑料）

IF #卷径计算count > #卷径计算setCount THEN

#tmpReal := #标定线速度 * #输出值sum / #卷径计算setCount;

美国标准普尔公司

IF #主速度 > 5 THEN

#估算卷径 := #主速度 / #tmpReal * #空卷径;

韩金凤

guardium

END_IF;

#卷径计算count := 0; #输出值sum := 0;END_IF;

IF #测出线速度 <= 5 AND "堵头打开" THEN //堵头打开时说明已经卸卷，这时将卷径复位

#估算卷径 := #空卷径;END_IF;

#估算卷径 := LIMIT(MN := #空卷径, IN := #估算卷径, MX := #最大卷径);

虽然这样得出得估算卷径精度不高，但在摆辊参与调速的张力系统中也满足使用。

3.2　摆辊PI 控制器的优化

传统的PI 控制器的比例增益P 和积分时间I 在控制器工作时是固定不变的，这在线速度不是一成不变的收卷机张力控制系统中会存在不同线速度时PI 控制器的PI 参数并不适合的现象，比如低速和加减速时，收卷机卷绕过程需要克服的传动阻力较大，这时需要较灵敏的PI 参数来控制张力，此时的P 值较大，I 值

较小。而高速巡航卷取时，是恰恰相反的情况，这时需要温和的PI 参数，此时P 值较小，I 值较大。

那么让PI 值随着线速度呈线性变化是有必要的，可以设置自己想要的变化斜率让P 值随线速度递减，I 值随线速度递增，本文控制系统针对此的程序代码如下：

"PID_Compact_摆辊".Retain.CtrlParams.Gain :=

"P0" * "功能程序#线性关系"(x := #主速度, x 1 := 10.0, x 2 := #收

卷

最

一氧化氮合酶大

线

公安机关中级执法资格考试速

度,

y1 := 100.0, y2 := 100.0 - "P_taper") * 0.01 * 0.001;

"PID_Compact_摆辊".Retain.CtrlParams.Ti :=

"I0" * "功能程序#线性关系"(x := #测出线速度, x 1 := 10.0, x 2 := #收

卷

最

大

线

速

度,

y1 := 100.0, y2 := 100.0 + "I_taper") * 0.01;

4　结语

废边收卷机广泛应用于薄膜分切机的裁切废边卷取，各设备厂商普遍存在着废边收卷张力控制不稳，不同厚度的载带难以适应的现象。本文提出的控制系统设计新颖、成本低廉，实用性强，采用改进的收卷张力控制器的设计方法，在投入生产运行中，获得了较好效果，有效解决了废边收卷机长期以来

的控制难题。参考文献：

[1] 徐敏.张力控制系统在变频造纸设备中的应用研究[J].价值工程，2014,(23):78-79.

[2]

孙珺如，刘惠康，吴远航，等.卷取系统的张力模糊控制优化研究[J].机械设计与制造，2013,(12):192-194,197.

Practical control application of waste edge winder of film slitter

Zhang Fan, Chen Yiliang

(Guangdong Jinming Precision Machinery Co. LTD., Shantou 515098, Guangdong, China)

Abstract: This paper introduces a kind of tension control system of waste edge winder of film slitter. This paper first introduces the mechanical structure of the winding part, introduces the basic principle of the tension sensor swing roll, then puts forward a practical tension closed-loop speed control mode, analyzes its control structure, and its PID control algorithm adopts the speed type PID algorithm. Finally, it expounds the practicability and superiority of the control system.

Key words: winder; coil diameter calculation; swing roll; PID; automation

（R-03）

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