CN102923511A

CN102923511A - 卷绕张力控制系统

Info

Publication number: CN102923511A
Application number: CN2012104289435A
Authority: CN
Inventors: 高恭娴; 胡志文; 邱毅; 陆林海; 刘声强; 苏建平
Original assignee: SHANGHAI HITECH SYSTEM WORKS CO Ltd
Current assignee: Shanghai dry Intelligence Technology Co., Ltd.
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: CN102923511B

Abstract

本发明公开了卷绕张力控制系统，包括PLC、HMI、张力传感器，其还包括卷绕张力控制装置，所述PLC控制连接HMI和卷绕张力控制装置，所述张力传感器实时检测卷绕过程中的张力，并将检测信号传至卷绕张力控制装置，所述卷绕张力控制装置结合PLC所设定的参数要求进行计算形成相应的控制信号，并将该控制信号传至驱动收/放卷轴的伺服电机。本发明能够大大提高卷绕张力控制的精度和效果，并且能够提高卷绕工作的效率。

Description

卷绕张力控制系统

技术领域

本发明涉及一种卷绕控制技术，具体涉及一种卷绕张力控制系统。

背景技术

在纺机、纺织、皮革、造纸、冶金、薄膜、包装、电池等领域，都涉及到使用卷绕控制装置，其卷绕张力控制水平的高低是整个设备运行稳定性和产品质量好坏的关键所在。

对于卷绕张力控制这一核心技术问题，一直是工业自动化控制领域中的难点、弱点。目前的解决方案多数是以PLC为平台做PID控制，有的工程师选择PLC的内置的PID算法模块，有的工程师选择自己编写PID算法。

PLC内置的PID算法一般为标准的PID，而张力控制的过程是一个动态变化的过程，一成不变的PID算法往往难以适应大卷径变化、大速度变化时的高精度高响应要求。工程师自编的PID的算法受到PLC指令以及运算能力的响应，其算法也比较单纯，对工程师素质和经验要求较高。

随着用户对加工产品品质要求的不断提高，新的检测手段的出现，原有以PLC为控制平台做PID控制的方式在经验积累和编程设计效率上已现不足，无法满足用户对产品工艺高质量的要求。

由此可见，提供一种高效率、高精度的卷绕张力控制系统是本领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明针对现有卷绕控制装置的控制方案在效率、精度等方面无法满足现有产品工艺高质量的要求的问题。而提供一种高效率、高精度的卷绕张力控制系统，来解决现有技术的问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

卷绕张力控制系统，包括PLC、HMI、张力传感器，其还包括卷绕张力控制装置，所述PLC控制连接HMI和卷绕张力控制装置，所述张力传感器实时检测卷绕过程中的张力，并将检测信号传至卷绕张力控制装置，所述卷绕张力控制装置结合PLC所设定的参数要求进行计算形成相应的控制信号，并将该控制信号传至驱动收/放卷轴的伺服电机。

在本发明的优选实例中，所述卷绕张力控制装置包括ARM处理器、模糊PID算法芯片、通信端口电路，四路模拟量输入口电路、四路模拟量输出口电路、六路IO口输入点电路、四路IO口输出点电路、三路超高速计数器电路；所述ARM处理器分别控制连接模糊PID算法芯片、通信端口电路，四路模拟量输入口电路、四路模拟量输出口电路、六路IO口输入点电路、四路IO口输出点电路以及三路超高速计数器电路。

进一步的，所述通信端口电路包括RS485端口、RS232端口、CAN-BUS端口以及USB端口。

进一步的，所述模糊PID算法芯片包括PID算法模块、锥度计算模块、卷径计算模块、双轴切换模块、记忆输出模块、点动控制模块、带两点DAC输出模块以及实时调试模块。

进一步的，所述控制系统还包括张力放大器，所述张力放大器分别连接卷绕张力控制装置和张力传感器。

进一步的，所述PLC控制连接驱动牵引轴的伺服电机。

根据上述方案得到的本发明具有以下优点：

（1）运用灵活，本发明中的卷绕张力控制装置可以与各主流品牌的可编程控制器PLC、触摸屏HMI、工控机PC等组网通信，相当于PLC的一个扩展模块，安装结构为卡槽结构，安装方便。

（2）接口丰富，卷绕张力控制装置集成了四路模拟量输入口（ADC），四路模拟量输出口（DAC），六路IO输入点、四路IO输出点以及三路超高速计数器。可以弥补一般PLC相关功能模块少、增加模块费用高的缺点。

（3）张力控制能力强，其中卷绕张力控制装置采用高性能的32路ARM处理器内核，结合模糊PID算法，可以在各种复杂情况下保持张力稳定。

（4）高抗干扰性，各个端口，如ADC、DAC、RS485、IO端口等都采用隔离电路设计，具有很强的抗干扰性。

（5）功能丰富，具有卷径计算、锥度控制、双轴换卷等功能。

（6）使用方便，能够最大限度的降低技术人员的设计工作强度，适用面广。

（7）性价比高，可以大幅提高技术人员的工作效率，可以灵活组合使用，扩展方便，与PLC、HMI组合使用性价比非常高。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明的原理图；

图2为本发明实现电机控制的实施示意图；

图3为本发明中卷绕张力控制装置组成结构框图；

图4为本发明中卷绕张力控制装置的接口框图；

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1，本发明提供的卷绕张力控制系统主要包括卷绕张力控制装置100、PLC（200）、HMI（300）以及张力传感器（400）。

PLC（200）与HMI（300）相接，形成直观的、操作方便的人机界面，通过该人机界面可方便的修改整个系统内部的控制参数、状态，并且能把相应的数据在HMI显示出来。

张力传感器400用于实时检测卷绕过程中的张力，并将检测到的值形成相应的电信号，并传至卷绕张力控制装置100。

卷绕张力控制装置100为整个系统的计算和控制中心，该装置通过相应的通信接口与PLC相接，获取PLC设定相关数据，根据PLC设定的相关参数数据，并根据张力传感器400实时获取的相关卷绕张力数据进行实时的张力控制计算，根据计算结果形成相应的控制信号，并将该控制信号传至驱动收/放卷轴的伺服电机。由此实现对卷绕过程张力的实时调整，有效避免一般卷绕过程中所存在的问题，大大提高卷绕产品的质量和卷绕的效率。

基于上述方案，本发明的具体实施例如下：

实例1

参见图2，由图可知，该实例为利用上述系统进行电机控制的方案。在该实例中整个控制系统由一个PLC（200）、HMI（300）、两个卷绕张力控制装置（100）以及两个张力传感器（400）组成。

在组成结构上，PLC与HMI相接，具体如上所述，此处不加以赘述。同时PLC通过RS232/485通信接口与两个卷绕张力控制装置100通信相接。这两个卷绕张力控制装置100中第一卷绕张力控制装置100a连接驱动收卷轴500的伺服驱动器600和第二卷绕张力控制装置100b连接驱动放卷轴700的伺服驱动器800。两个张力传感器400分别用于检测卷绕装置中收卷轴500端的张力值和放卷轴700端的张力值，并将检测信号对应的传至卷绕张力控制装置100中。

为了保证绕张力控制装置100能够获得稳定的信号，在绕张力控制装置100和张力传感器400之间设置相应的张力放大器。

本实例运行时，首先通过HMI连接PLC对张力控制装置100进行控制参数的设定、以及工作状态的修改，两个张力传感器400实时检测收卷轴500和放卷轴700端的张力值，并分别传至第一卷绕张力控制装置100a和第二卷绕张力控制装置100b中，第一卷绕张力控制装置100a和第二卷绕张力控制装置100b分别根据PLC设定的参数和要求结合张力传感器400传送的数值进行智能运算，根据运算结果形成相应的速度控制信号、位置控制信号以及扭矩控制信号，并将这些信号传至伺服驱动器600和伺服驱动器800随收卷轴500和放卷轴700进行调整控制。

如图3所示，本实例中的卷绕张力控制装置100包括ARM处理器101、模糊PID算法芯片102、通信端口电路103，四路模拟量输入口电路104（ADC）、四路模拟量输出口电路105（DAC）、六路IO口输入点电路106、四路IO口输出点电路107、三路超高速计数器电路108。

ARM处理器101作为整个装置的数据处理中心，其可采用高性能的32位ARM处理器，并且ARM处理器分别控制模糊PID算法芯片102、通信端口电路103，四路模拟量输入口电路104、四路模拟量输出口电路105、六路IO口输入点电路106、四路IO口输出点电路107、三路超高速计数器电路108。

参见图4，本实例中卷绕张力控制装置100的具体接口组成如下：

通信端口电路103包括RS485端口、RS232端口、CAN-BUS端口以及USB端口。

RS485端口：带电气隔离，可与所有的带RS485接口的器件相连，可通过相应的开关来设置通信速率。

RS232端口：带电气隔离，可与所有带RS232端口的器件相连，可通过相应的开关来设置通信速率，可作为调试端口。

CAN-BUS端口，带电气隔离，可与所有带CAN-BUS接口的器件相连，可通过相应的开关来设置通信速率。

USB端口，可用于PC通信和调试接口。

三路超高速计数器电路108作为正交编码器接口，共有6个接线端子：A+/A-、B+/B-、C+/C-。

其中A+/A-端口，为高速计数口1，可作为主轴脉冲输入，也可作为正交编码器A向输入信号。

B+/B-端口，为高速计数口2，可作为卷轴脉冲输入，也可作为正交编码器B向输入信号。

C+/C-端口，为高速计数口2，可作为正交编码器C向输入信号。

六路IO口输入点电路106具有8个接线端子：SI0、SI1、SI2、SI3、SI4、SI5、IN-COM1、IN-COM2。

SI0，作为运行接口，0-停机，1-运行。

SI1，作为点动。

SI2，用于正反转控制。

SI3，用于A/B轴切换接口。

SI4，用于主轴脉冲计数。

SI5，用于卷轴脉冲计数。

IN-COM1，作为IO输入公共端1。

IN-COM2，作为IO输入公共端2。

四路IO口输出点电路107，共有6个接线端子：SO0、SO1、SOCOM0、SO10、SO11、SOCOM1。

其中，SO0，用作卷轴PFM脉冲速度输出。

SO1，用作卷轴PFM脉冲方向输出。

SOCOM0，作为SO0、SO1的输出公共端。

SO10，作为过张力报警输出。

SO11，作为欠张力报警输出。

SOCOM1，作为SO10、SO11的输出公共端。

四路模拟量输入口电路104（ADC）共有8个端子，每一路对应一个独立公共端：AI0+、AI0-、AI1+、AI1-、AI2+、AI2-、AI3+、AI3-。

其中AI0+和AI0-作为卷轴张力模拟量输入端。

AI1+和AI1-作为主轴速率模拟量输入端。

AI2+和AI2-作为卷径大小百分模拟量比输入端。

AI3+和AI3-作为张力设置模拟量输入端。

四路模拟量输出口电路105（DAC）共有8个端子，每一路对应一个独立公共端：AO0、AO0COM、AO1、AO1COM、AO2、AO2COM、AO3、AO3COM。

其中，AO0和AO0COM作为A轴张力控制输出端。

AO1和AO1COM作为B轴张力控制输出端。

AO2和AO2COM作为牵引轴1的输出端。

AO3和AO3COM作为牵引轴2的输出端。

对于述模糊PID算法芯片，其主要包括PID算法模块、锥度计算模块、卷径计算模块、双轴切换模块、记忆输出模块、点动控制模块、带两点DAC输出模块以及实时调试模块，用于实现智能PID计算、锥度控制、卷径计算、双卷轴自动切换等相应功能；

PID算法模块，用于实现自动控制一路放卷、收卷或者牵收张力。

针对卷绕张力控制过程的特点，本PID算法模块在常规的PID算法基础上，结合模糊控制、人工智能等思想做了大量有针对性的改进，能大幅度提高张力控制的性能。由于影响张力的因素主要有两个：牵引速度的变化，以及卷径的变化，为此本PID算法模块针对线速度与卷径对张力的作用以及其各自的特点，特别有针对性的算法。

本实例中PID算法模块具有如下特点：

1、启动、停机以及升降速过程中PID算法响应快；

2、PID输出能及时跟踪主速度；

3、在均速过程中保持主速度的稳定，PID输出稳定，震荡小；

4、模糊控制、人工智能的结合使PID运算更贴合实际使用状况。

锥度计算模块，用于实现设置收卷时的锥度，锥度由直线锥度、曲线锥度、分段自学习等设置功能。

在收卷过程中，为了防止出现折边、错位、偏位等现象，须使得卷轴的内层张力大一些，张力随卷径的变大而逐渐减小，这个过程称为锥度控制。要现实锥度控制必须有卷径检测手段，进行实时的检测当前的卷径大小。锥度控制有三种选择方式：直线锥度特性、曲线锥度特性、计时锥度特性。

卷径计算模块，用于卷径的计算，具体可利用厚度累加法、机械齿轮比值法等。

在放卷时，随着料越来越少，卷径也越来越小；而在收卷时，卷径越来越大，卷径的变化一直是影响张力的首要因素，检测好卷径能大大的提高张力的稳定性、实时响应性。

本卷径计算模块包含有：模拟量输入法、厚度累加法、脉冲比值法、模拟量比值法、脉冲模拟量比值法、超声波检测法等多种卷径计算方法。

双轴切换模块，用于实现收放卷的A/B双轴自动切换，并保持张力稳定，可现实连续不间断收放卷。

为提高设备使用效率，部分机器设计有双放/双收的两个收/放卷轴，本模块实现自动切换功能，只须要在相应的IO口输入切换信号，就可以现实自动的A/B双轴切换功能。在扭矩输出的控制中，双轴切换可设置相应的启动扭矩与保持扭矩。

记忆输出模块，可实现停机/启动时保持张力稳定。

点动控制模块，实现点动功能。

带两点DAC输出模块，用于两牵引辊的控制，相当于PLC的两个DAC输出点。

实时调试软件模块，用于与PC机联机调试，可以实时动态观测张力内部的运行状况以及相应的PID算法电路的计算状况。

该模块作为卷绕控制装置中用于PC机调试的工具，可以通过USB接口与PC机相联，在PC机中方便的设置卷绕控制装置中的相关参数、状态，并可以通过PC机试运行，检查参数设置是否正确。

通过该模块还可以实现通过PC机对卷绕控制装置中的内部算法运行情况进行采样，直接观察卷绕控制装置中的各个模拟量输入口、主速度、PID的输出值，以及PID计算过程中的，P计算输出值，I计算输出值，D计算输出值。这样可以极大地降低工程师在现场设置PID参数的难度，更直观地观察实际的运行参数情况，减少现场调试时间。

实施例2

该实例为利用上述系统进行磁粉控制的方案。在该实例中整个控制系统由PLC、HMI、卷绕张力控制装置、张力传感器、磁粉放大器以及磁粉离合器组成。

其中PLC与HMI相接，并与卷绕张力控制装置进行通信相接，卷绕张力控制装置与张力传感器相接，并通过磁粉放大器与磁粉离合器相接，磁粉离合器控制连接收卷轴和放卷轴。

该实例中各个部件的运行原理与实例1中相同，此处不加以赘述。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.卷绕张力控制系统，包括PLC、HMI、张力传感器，其特征在于，所述控制系统还包括卷绕张力控制装置，所述PLC控制连接HMI和卷绕张力控制装置，所述张力传感器实时检测卷绕过程中的张力，并将检测信号传至卷绕张力控制装置，所述卷绕张力控制装置结合PLC所设定的参数要求进行计算形成相应的控制信号，并将该控制信号传至驱动收/放卷轴的伺服电机。

2.根据权利要求1所述的卷绕张力控制系统，其特征在于，所述卷绕张力控制装置包括ARM处理器、模糊PID算法芯片、通信端口电路，四路模拟量输入口电路、四路模拟量输出口电路、六路IO口输入点电路、四路IO口输出点电路、三路超高速计数器电路；所述ARM处理器分别控制连接模糊PID算法芯片、通信端口电路，四路模拟量输入口电路、四路模拟量输出口电路、六路IO口输入点电路、四路IO口输出点电路以及三路超高速计数器电路。

3.根据权利要求2所述的卷绕张力控制系统，其特征在于，所述通信端口电路包括RS485端口、RS232端口、CAN-BUS端口以及USB端口。

4.根据权利要求2所述的卷绕张力控制系统，其特征在于，所述模糊PID算法芯片包括PID算法模块、锥度计算模块、卷径计算模块、双轴切换模块、记忆输出模块、点动控制模块、带两点DAC输出模块以及PC机实时调试软件。

5.根据权利要求1所述的卷绕张力控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括张力放大器，所述张力放大器分别连接卷绕张力控制装置和张力传感器。

6.根据权利要求1所述的卷绕张力控制系统，其特征在于，所述PLC控制连接驱动牵引轴的伺服电机。