恒张力控制系统在卷取机的改造应用

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1、恒张力控制系统在卷取机改造应用申请工种：维修电工 申请等级：二级 申 请 人：徐艺 工作单位：广东省河源职业技术学院 申请日期：2009 月 11 月 20 日恒张力控制系统在卷取机改造应用摘要 本文叙述了我在广州艺爱丝纤维有限公司的无纺布卷取机技术 改造中，综合运用了以张力控制器、张力传感器、磁粉离合器组成的 恒张力控制系统解决了原设备影响产品质量和产量的技术问题，取得 了良好的经济效益。；关键词：存在问题、改造意义、设备分析、改造方案、张力控制器、张力传感器、磁粉离合器、PID、调试引言广州艺爱丝纤维有限公司一期车间有一条日本七十年代末期的 无纺布生产线，因控制方式落后，工艺粗糙，产品有多

2、项质量指标达 不到目前市场的要求，而且成品率只有62%。处于被市场淘汰的边沿。 为提高技术指标、提高产品质量参数和创造高的效益,2006年10月， 公司决定对这条生产线中的关键部分一一卷取机，进行技术改造。卷 取机的作用是把经过热定型之后的无纺布卷成布卷，即成卷。卷取机 存在主要问题是张力波动太大，布卷直径能以控制、幅宽都不均。应 用恒张力控制器为主的恒张力控制系统，代替原来手调弹簧离合器, 可以实现满足了产品在卷取工艺的各项参数要求一、原卷取机存在的问题由于原卷取机是日本七十年代末的设备，其生产流程示意图如图 1所示。它结构简单，工艺粗糙，存在2个突出的问题:图1原巻取机流程简图(1)张力控

3、制：卷取中布 的张力靠人工调节弹簧离合器 实现，张力波动大，卷出的布 幅宽不均，布卷直径也难于控 制。只能生产出B级品。(2)成品合格率低：成品 布卷要求长度不少于2500米，宽度不少于1500毫米，布的厚度严格的要求，卷取中常因张力失控而导致布的厚度、长度、幅宽和直径不能同时满足要求，产品合格级次低，且成品率只有62%。二、改造意义卷取机存在问题关键点在于张力无法恒定控制，无法生产出优质 产品，属于淘汰设备，买一台新的卷取机则要数几十万人民币，而原 卷取机只能当废品处理，为了节约公司财产和减少投入，又能满足生 产品质需要，对原卷取机进行控制改造。三、设备分析1、原设备张力控制控制系统方框图如

4、下：人工手调弹簧器输出扭矩运转幌原张力控制系统方框2、原设备张力控制器：手动调节弹簧离合器；为开环控制系统， 无法反馈波动信号；3、改造方案：原来张力控制是一个开环控制系统，存在输出与输 入无反馈信号，导致无法自动调节；为了能够实现自动调节，设定一 个闭环控制系统，由张力控制器、张力传感器、磁粉离合器组成；其 控制方框图如下：改造后张力控制系统方框图四、控制系统的元件选择与原理本公司生产的无纺布有各种规格，宽度均为1600mm。成卷时需要 有恒定张力，对不同品种，张力范围为100180N。1、张力控制器选择张力控制器是一种由单片机或者一些嵌入式器件及外围电路开 发而成的系统，是一种控制仪表，它

5、可以直接设定要求控制的张力值， 然后直接输入张力传感器的信号作为张力反馈值，通过比较得出偏差 后,输入到PID等控制器进行处理,最好输出给外围执行机构去控制， 最终达到偏差最小，系统响应最快的目的。张力控制器还有所谓的手 动控制功能，一般是指人为可以通过张力控制器给定一定的输出量给 执行机构；IP1丼力里李 匸比年* MKJ/S|KeS|n -;:厂 - :八g 1 - ; -比例调节器的作用是对于偏差作出瞬间快速反应。偏差一旦产生， 调节器立即产生控制作用使控制量向着减小偏差的方向变化，单用比 例调节器会产生静态误差。积分调节器的作用是把偏差的累积的结果作为它的输出。调节过 程中只要偏差存在

6、，积分输出就会不断增大，直至偏差e为零，输出 u维持一定量常量uO,有了它就能消除系统输出的静差。积分调节作 用虽然可消除静差，但会减低系统的响应速度，增加系统的超调，积 分常数越大，积分的累积作用越弱。增大TI将减慢消除静差的过程， 但可减少超调，提高稳定性。微分调节器的作用是阻止偏差的变化，偏差变化越快，微分调节 器的输出也越大。因此微分作用的加入，将有助于减小超调，克服震 荡，使系统趋于稳定。它加快了系统根踪的速度。输出量与输入量的 一阶微分成正比，因此可预测输入量的变化趋势，有一提前量，使系 统及时采取措施。根据以上理论和公司的生产要求，选择了 ZK-5B张力控制器，它 是具有PID调

7、节功能的张力控制器，控制精度高，有自动和手动两种 工作方式。在“自动-张力”方式下， 左右两张力传感器拾取的布瞬时张力 值输入到张力控制器，与设定值进行 比较、运算、放大，输出DC24V的控 制电流给磁粉离合器产生适当瞬时力 矩，使张力恒定在设定值上，实现闭环控制。在“手动-力矩”方式下，调节张力设定旋钮，输出力矩与 之成线性变化，张力值在输出张力表中示出，即开环控制。本系统的 张力可在0200N范围内调节，获得生产所需的恒定张力。其接线图如下：2.3.2接飙申丽(160-2WAC;PAJiiiA iAWltA(W4A 耳/fl Mt*佩iVl.I汁间电阡需电盼i门 1=(I厝伯)rNBAwi

8、TiO-VMArtHGNDweeMC5mcjMC3MC2芮MCCTXD Uti貯肝魏厂- 見鮎处r l 财制黯开十咄孑 倔戒*a C- 題卿开幫一一 帥毓开打一仏接线排I;序弓名称类型技术参数说用1PSL. FSN输人CU 185 VAC-264 VACJ&22OV丸;电独2ZT. ZTC玉警输出SPA, NA输出輛出24W4启页36V/3A毎A聊他菇萼吉渥玄勰凰礙4F已 NB辐出彌出24W4人 或3GV/3A皱閃lli诵曲軽洽更或隠也削动蹈5MCC外郃训人行天信号稣苗MC1外郃卫，層止控刖信号瑜入端子7MC2输人外郃职抽切険禮制口号嗝人端子MC3T：外剖工速疽制俊号辎九湍子gMC4辅入茯虽辅

9、出逸昼天辎人端子10MC5讣部减速程制信W拓入床子iiMC6输出ON/OF F轻冃一百亏输?.満子12+24垃 GND输出5h0MS近时芙 磁转瞬器供电电規13DI0输人主诒缶近幵关稱人端子（向石接线排2:序号名称类型技术蓋数说M1L1IAItA旳也接近开天输入疏子2IBWA尿複频舉15kHz禹出摄近开茨确人師子3GRL输A.洞人信咎范囤或 GVOrn/f或（HEKfF.阳仁号左孔Z1传怒豈籀巩百芳+4WHLA5REDL辅出诉匕屯源电R5#或1OV左旅；传愍器电涼+6BLKL诵lL左弛二I传感器包涼-7GRRWA辅入信号范S200nV 或 02UmV右张力传愍器输人仃兮+BWHRA右张门传舐長

10、辅们却&RE DR输出辆匕帀恿申右张力传慝器电涼十10BLKR输出右张上传飛渥电混-11SA, SN输出020mA 或 05VTSjlLjI tg置豁哦汛比：呦12EAP. EAN辅出020mA 或 05V辅助常出卫（O-SVBffiSbh机柯）131R+7R- FR.G输出障RS23I2或艮字召5RS232/RS485jirfi-.llgO14+5V.0V输出蛰用輙詔2、张力传感器选择张力传感器是采用应变片电桥测试原理，能测量无纺布通过张 力辊时施加在张力辊的力，根据所受力的大小，输出与之成正比的 电压信号；为了配套使用ZK50张力控制器，我选择同一个厂家生产 的张力传感器TS-300，它是

11、由5kHz 12V交流电源驱动的电感（自耦）差动式张力传感器，它具有响应时间短，输出幅度高的特点。其受力图如下:合丿J方旬水平合力方向朝上卜合力方旬朝下接线图如下:电源+输出+4电霍-2输生3愉出电頑-输出-注盘：肖恺币匣于张传戍禅并曲信号宙底対，不能共讦一亍电源:3、磁粉离合器选择磁粉离合器、磁粉制动器是根据电磁原理并利用磁粉来传达转 矩的，其传达之转矩与激磁电流基本成线性关系。因此，只要改变 激磁电流之大小，便可轻易地控制转矩之大小。正常情况下，在5% 至100%的额定转矩范围内，激磁电流与其传达之转矩成正比例线性 关系,如下图A。稳定的滑差转矩：当激磁电流保持不变时，其传达之转矩不受传动

12、件与从动件之间差速（滑差转速）之影响，即静 力矩与动力矩无差别。因此可以稳定地传达恒定之转矩。此特性若 运用于张力控制，则用户只需调节激磁电流之大小，便能准确控制 并传达所需转矩，从而简便、有效地达到控制卷料张力的目的，如下B。/J/7/厂w -m in ki im激攀电盍恪13DQ 4D H3I HE 1OKI4T1滑芒連町如四上奇I !* I*： ia*3 饰 laa嗨电鼻I4RK IAitta熄越JSA激瞻电流与传翅转柜之关系图B滑差速度与传遗转拒之关系实际滑差功率P=2X3.14XMX n/60二FV （单位：W）式中：M实际工作转矩（Nm） F张力（N）n滑差转速（r/mi n）V线

13、速度（m/s）FD-100是一种新型特殊的电磁离合器，它由主动转子、从动 转子和定子线圈组成，主动转子和从动转子间充有一定量的磁粉， 在定子线圈通激磁电流状态下，磁粉沿磁力线通过的方向形成磁链, 主动和从动转子成为一刚体旋转，如果转矩超出时，磁链剪切，实 行滑差运行。在额定范围内，磁粉离合器的输出力矩与激磁电流成 正比，是一个快速响应的线性调节元件。其结构图如下：轴输入轴输出*止口支撑、自然冷却磁粉离合器L4、 组成恒张力控制系统如下:张力传感器 C右张力传爲黠（左：EZ3 EZ3V V 9ulih离合器其恒张力控制系统的控制原理如下:张力设定张力控制器邛-旺舍器FD-100VJ恒张力控制系统

14、工作原理恒张力控制系统接线图五、调试恒张力控制系统第一步：把张力控制器置“手动-力矩”方式，先接其中一只张 力传感器，并调整传感器顶部的零位螺丝，尽量使张力表在静态时指 向零位置，并用螺母锁紧螺丝。再接上另一只传感器进行同样的调整， 最后调节张力控制器内W1、W2微调电阻，使张力表准确回零。第二步：把张力控制器置“自动-张力”方式，在张力检出辊上 悬挂适当重量的物体，调节张力控制器内“较准电位器”，使张力表 指示值与实际值相符。之后，对张力检出辊施加一定的张力，输出力 矩百分表指示值随所施加张力的增大而减小；第三步：对磁粉离合器进行首次跑合，目的是消除在运输搬运后 磁粉过分集中在夹磁环一侧的现

15、象。在“手动-力矩”方式，调节张 力设定旋钮，使输出力矩百分表指在15%25%之间，运转几十秒断电 几秒，如此反复十余次或更多次数，使磁粉逐步均匀地分布于工作面， 以达到额定力矩为止。第四步：在“手动-力矩”方式，调节张力设定旋钮使输出力矩百分 表指向80%处；设定变频器在“PU”模式下正转，一边上下调节变频 器输出频率，一边用速度计测量F胶面辊的线速度，分别设定出RH、 RM、RL三段频率，使此三段频率值略高于对应的60m/min、40m/min、 20m/mi n三档线速度所须的频率（分别为43.6Hz、29.7Hz 15.5Hz）， 以保证卷取机在离合器滑差运行时的张力和速度。之后再设定

16、变频器 上下限频率和电子热保护值等等参数。第五步：进行整机带料试车，置张力控制器于“自动-张力”档，调节张力设定旋钮至需要值，把张力控制器内部比例运算（P值）调 节电位器缓慢调大,直至机器出现不稳定现象时，再往回调小一点（因 ZK-5B控制器无数字显示功能）。调节基本传动力矩“Ma”为额定值 的20%，以防止起动或没有布卷时离合器处于完全无传动力矩状态。F -张力M 传动力矩再整定停止力矩“ Mb”为额定值的 60%，设定起动时间“T1”和停车维 持时间“T2”为3秒。以使传动力 矩在启动和停止两时间段较为平 滑。六、改造效果和体会经过这次改造，卷取机实现了张力恒定，连续运行能力强。这次 改造用于购买电气、机械部件，以及零件委外加工的费用，一共是1 万元人民币。而卷取机的功能和效率却有极大的提高，成品布的厚度、 幅宽、直径、长度等等参数都得到严格控制。原来这条生产线每月只 能生产出42吨的B级品，如今具备月产70吨A级品的能力，而且成 品率高达92%，足足比改造前提高了 30%!完成这篇论文，我提高了很多，尤其编写规范论文，很感谢广 东省技师学院李老师等人帮助指导；谢谢大家！七、参考书张力控制器ZK-5B说明书张力传感器ts-300说明书磁粉离合器FD-100说明书