CN203199757U

CN203199757U - 一种卷取机张力的自动控制装置

Info

Publication number: CN203199757U
Application number: CN 201220746748
Authority: CN
Inventors: 陆地; 王胜; 许岩
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2022-12-28

Abstract

本实用新型公开了一种卷取机张力的自动控制装置，包括可编程控制器、变频器、速度传感器、第一脉冲编码器、第二脉冲编码器、速度调节器和电流调节器，第一脉冲编码器安装在驱动电机M1上，第二脉冲编码器安装在主电机M上；速度传感器安装在导向辊上；速度调节器和电流调节器设置在变频器中，可编程控制器的输出端连接速度调节器，速度调节器的输出端连接电流调节器，电流调节器的输出端连接主电机M，用以对主电机M的电枢电流进行控制，实现对卷取机张力的实时控制。本申请通过采用PID调节器对卷取机的速度和电流分别进行闭环控制，使驱动卷筒的主电机按照控制调节后的电枢电流进行工作，实现了对卷取机张力的实时自动控制。

Description

一种卷取机张力的自动控制装置

技术领域

本实用新型属于自动控制领域，具体涉及一种卷取机张力的自动控制装置，可广泛应用于纤维、造纸、塑料薄膜、电线、印刷品、磁带等轻工业相关领域以及金属制品行业。

背景技术

在冶金行业中，卷取机是将热轧或冷轧钢材卷取成卷筒状的轧钢车间辅助设备，用卷取机将钢材弯曲成卷，从而为增大原材料重量、提高轧制速度、减小轧件头、尾温差提供了有力的条件，由此导致了产品产量与质量的提高；此外，成卷的轧材便于运送，这是各种形式卷取机的共同特点和作用。

卷取机一个重要的控制就是张力控制，在冶金行业中，对薄钢板的卷取就会碰到类似问题。如果张力过大，钢材在卷取的过程中，便会使钢卷的内卷产生相对滑动，由滑动造成的表面划痕，极大地影响了钢材的表面质量，更为重要的是，张力过大会造成钢卷内部应力变大，最终使钢卷的内孔内陷，或者使整个内层卷突出，形成塔形，最终使钢卷的等级降低。如果卷取的张力过小，钢卷会在其自身重力的情况下松散、突出，无法对其包装。而且在松散过程中，由于钢卷的相对滑动，常常会在钢材表面产生大面积的划痕。

解决上述问题，工业现场传统方式通过变频器对卷筒电机进行控制。通常采用PLC对电机进行PI（比例、积分）调节，或者PID（比例、积分、微分）调节。传统的PID控制算法，其设计简单、实施容易，具有很强的鲁棒性，特别对二阶系统具有最优的调节特性，因此在工业控制中一直占有主导地位。但是，张力系统中，常常有很多干扰因素，PI或者PID调节系数，如K_P(比例系数)K_I（积分系数）K_D（微分系数）一旦设定，如果没有人为对其进行调节，这些参数是固定不变的，它们不会随着受控参量的变化而变化，即不会随着环境的改变而改变。但实际上，在张力控制过程中，张力的大小是随着卷径的变化而实时变化的，当卷径较小时，卷辊线速度较小，张力不大。随着卷径的不断扩大，卷辊的线速度变快，张力变大。因此设置静态参数往往达不到最佳控制效果，PID控制常常达不到要求精度。

因此，研究一种新的卷取机的张力PID控制装置，对于实时有效地控制卷取机张力是非常有必要的。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种卷取机张力控制装置。本申请通过采用PID调节器对卷取机的速度和电流分别进行闭环控制，使驱动卷筒的主电机按照控制调节后的电枢电流进行工作，实现了对卷取机张力的实时自动控制。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术解决方案：

一种卷取机张力的自动控制装置，包括可编程控制器、变频器、速度传感器、第一脉冲编码器、第二脉冲编码器、速度调节器和电流调节器，其中，所述第一脉冲编码器安装在驱动电机M1上，用以检测S辊的转速n1，所述第二脉冲编码器安装在主电机M上用以检测卷筒的转速n；所述速度传感器安装在导向辊上用于检测卷筒的线速度V2；所述速度调节器和电流调节器设置在变频器中，可编程控制器的输出端连接速度调节器，速度调节器的输出端连接电流调节器，电流调节器的输出端连接主电机M，用以对主电机M的电枢电流进行控制，实现对卷取机张力的实时控制。

本实用新型还包括如下其他技术特征：

所述变频器采用西门子6SE70变频器。

所述可编程控制器采用S7-300PLC可编程控制器。

与现有技术相比，本发明结构简单，容易实现，更加精确地实现了卷取机的张力控制，使设备更加简单，人性化，减少了生产的废品率，降低了成本。

附图说明

图1是本实用新型的卷取机张力控制装置的结构原理图。

以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。

具体实施方式

本实用新型用于对卷取机的速度和电流进行反馈闭环控制，所应用的卷取机包括卷筒、导向辊、S辊、主电机M、驱动电机M1、第一减速器和第二减速器，其中，所述驱动电机M1通过第一减速器连接S辊，S辊由驱动电机进行驱动；所述主电机M通过第二减速器连接卷筒，卷筒由主电机M驱动；S辊上的带钢在驱动电机M1的驱动下通过导向辊到达卷筒并缠绕在由主电机M驱动的卷筒上。

如图1所示，本实用新型的卷取机张力的自动控制装置，包括可编程控制器、变频器、速度传感器、第一脉冲编码器、第二脉冲编码器、速度调节器和电流调节器，其中，所述第一脉冲编码器安装在驱动电机M1上，用以检测S辊的转速n1，所述第二脉冲编码器安装在主电机M上用以检测卷筒的转速n；所述速度传感器安装在导向辊上用于检测卷筒的线速度V2；所述第一脉冲编码器、第二脉冲编码器和速度传感器的输出端分别连接可编程控制器；所述速度调节器和电流调节器设置在变频器中，可编程控制器的输出端连接速度调节器，速度调节器的输出端连接电流调节器，电流调节器的输出端连接主电机M，用以对主电机M的电枢电流进行控制，实现对卷取机张力的实时控制。

所述变频器采用西门子6SE70变频器，速度调节器和电流调节器采用PID调节器。

可编程控制器采用S7-300PLC可编程控制器。

第一减速器和第二减速器均选用卧式两级圆柱斜齿轮。

本实用新型的工作原理如下：

用户根据需要设定卷取机的张力值，张力设定值T与卷筒卷径D的实测值根据公式M_T=T*(D/2)计算得到张力力矩M_T。卷筒卷径D、卷筒转速n的变化产生动态力矩M_D；通过实验得到空载力矩M_o；将张力力矩M_T、动态力矩M_D、空载力矩M_o相加得到主电机的力矩极限值M_m。

主电机M通过第二减速器驱动卷筒转动卷取带钢，在卷筒转动过程中，将来自S辊的带钢经过导向辊缠绕在卷筒上，主电机M上安装的第二脉冲编码器测得卷筒的转速n，根据胡克定律F=-kx，只有卷筒的线速度V2与S辊的线速度V1的差值是定值，被卷曲的带材产生固定的形变，才能保证张力恒定。由张力设定值T与带材弹性系数、带材横截面积、卷筒与辊之间距离可建立卷筒的线速度V2与S辊的线速度V1的差值。通过S辊的线速度V1计算卷筒的线速度V2，也可直接在导向辊上安装速度传感器测出卷筒的线速度V2，将卷筒的线速度V2与卷筒的转速n经过除法器得到卷筒卷径D。S辊的驱动电机M1上安装的第一脉冲编码器检测S辊的转速n1，利用下式计算得到S辊的线速度V1：

Ds = \frac{V_{1}}{{πn}_{1}}

其中，D_S-S辊的直径；n₁-S辊的实际转速；π-圆周率。

S辊的线速度V1与S辊的直径D_S经过除法器得到转速给定值，转速给定值与转速n经过比较器得到速度偏差；为了保持主电机转速尽可能与给定转速一致，达到系统无静差，转速环节应被校正为II型系统，因此，在卷筒卷径D与带宽共同作用的转动惯量经过比例调节器调节速度调节器的比例系数K_n，其计算公式如下：

K_{n} = \frac{(h + 1) {βC}_{e} T_{m}}{{2 haRT}_{Σn}}

其中，K_n—比例调节器的比例系数；h—频率宽度，为了跟随特性和抗干扰性，h取5；β—电流反馈系数，取0.0095V/A；C_e—主电机的电势转速比，取0.185V/(r.min^-1)；T_m—主电机机电时间常数，取空卷时T_m＝0.148s，满卷时T_m=0.9s；

—惯性时间常数，取0.0124s；α—转速反馈系数，取0.001s；R-电枢回路等效电阻；

将速度偏差和比例系数输入速度调节器得到速度整定值，速度整定值作为电流给定值；将电流给定值和力矩极限值Mm送入电流调节器，经电流调节器得到主电机M的电枢电流值，主电机M根据得到的电枢电流值运转。

在可编程控制器中设置六个模糊控制器，分别用于控制电流环和速度环的PID参数的调整。每个模糊控制器均为两输入一输出（MISO）结构，输入为卷取机设定的张力偏差值E与张力偏差值变化率E_C，将输入的具体值模糊化，采用mamdani算法对模糊过程进行推理输出量分别为电流控制器和速度控制器需要的P、I、D参数。在电流调节器与速度调节器之前分别串入相应的模糊控制器，在卷取机运行的过程中，不断调整隶属度函数，对电机的转速和电机电枢电流进行控制，从而实现对卷取机张力的自动控制，使卷取机的张力T实现自动调节始终保持恒定。

Claims

1.一种卷取机张力的自动控制装置，其特征在于，包括可编程控制器、变频器、速度传感器、第一脉冲编码器、第二脉冲编码器、速度调节器和电流调节器，其中，所述第一脉冲编码器安装在驱动电机M1上，用以检测S辊的转速n1，所述第二脉冲编码器2安装在主电机M上用以检测卷筒的转速n；所述速度传感器安装在导向辊上用于检测卷筒的线速度V2；所述速度调节器和电流调节器设置在变频器中，可编程控制器的输出端连接速度调节器，速度调节器的输出端连接电流调节器，电流调节器的输出端连接主电机M，用以对主电机M的电枢电流进行控制，实现对卷取机张力的实时控制。

2.如权利要求1所述的卷取机张力的自动控制装置，其特征在于，所述变频器采用西门子6SE70变频器。

3.如权利要求1所述的卷取机张力的自动控制装置，其特征在于，所述可编程控制器采用S7-300PLC可编程控制器。