涂布機(jī)張力是如何控制的？：

摘要：針對目前市場上張力控制器普遍存在的測控精度較差、功能單一、適用傳感器類型少和PID參數(shù)無法自整定等問題，本文分析了國外浮輥和張力雙通道控制器的技術(shù)特點(diǎn)。對標(biāo)國外高端張力控制器產(chǎn)品，本文重點(diǎn)介紹了國產(chǎn)替代產(chǎn)品的性能，國產(chǎn)張力控制器同樣具有浮輥和張力雙回路控制功能，但由于每個通道都采用了24位AD、16位DA和雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)超高精度的張力控制，而所具有的PID自整定功能則使得操作更為快捷方便。

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一、問題的提出

張力控制器主要應(yīng)用于冶金，造紙，薄膜，染整，織布，塑膠，線材等設(shè)備上，是一種實(shí)現(xiàn)恒張力或者錐度張力控制的自動控制儀表，其作用主要是實(shí)現(xiàn)輥間的同步，收卷和放卷的均勻控制。一套典型的張力控制系統(tǒng)主要由張力控制器，張力讀出器，張力檢測器，制動器和離合器構(gòu)成。根據(jù)環(huán)路可分為開環(huán)，閉環(huán)或自由環(huán)張力控制系統(tǒng)；根據(jù)對不同卷材的監(jiān)測方式又可分為超聲波式，浮輥式，跟蹤臂式等。

典型的張力控制器主要由AD，DA轉(zhuǎn)換器和高性能微處理器等組成，張力控制器與張力傳感器和電氣比例閥組成典型的張力控制系統(tǒng)。在具體張力控制過程中，張力控制器是根據(jù)張力傳感器和A/D模式轉(zhuǎn)換器測量到的張力與設(shè)定的目標(biāo)張力相比較后，經(jīng)微處理器PID運(yùn)算自動調(diào)整D/A輸出從而改變電氣比例閥的輸出壓力來實(shí)現(xiàn)卷料的張力調(diào)節(jié)，可廣泛用于各種需對張力進(jìn)行精密測控的場合，具有使用靈活和廣泛的適用性。

目前市場上有各種張力控制器，但在高精度張力控制過程中，普遍存在以下不足：

（1）測量精度較低：普遍采用12位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，個別國外產(chǎn)品用了16位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對于一些高精度的張力傳感器輸出顯然無法準(zhǔn)確測量，測量精度無法滿足高精度控制要求。

（2）輸出精度較差：普遍采用12位DA數(shù)模轉(zhuǎn)換器，個別國外產(chǎn)品用了14位DA數(shù)模轉(zhuǎn)換器，對于一些高精度的張力控制顯然無法實(shí)現(xiàn)。

（3）浮點(diǎn)運(yùn)算精度較差：目前市場上商品化張力控制器的PID運(yùn)算基本都是采用單浮點(diǎn)方式進(jìn)行，運(yùn)算精度較差，從而使得輸出百分比的最小調(diào)節(jié)量也只能為0.1%，根本無法進(jìn)行電氣比例閥輸出壓力的精細(xì)調(diào)節(jié)，進(jìn)而無法實(shí)現(xiàn)超高精度的張力控制。

（4）單通道控制：絕大多數(shù)張力控制器盡管可以實(shí)現(xiàn)如收放卷的扭矩控制，過程張力中的速度控制以及浮輥張力控制，但只能選擇其中的一種控制模式。而個別國外的張力控制器產(chǎn)品，如Montalvo的Z4UI雙回路控制器則能實(shí)現(xiàn)放卷扭矩和浮輥位置的同時控制。

（5）傳感器輸入信號類型少：在各種張力控制中會采用到多種不同的傳感器，如超聲波探頭，浮輥，電位器和激光等，這些不同傳感器所輸出的信號類型和量程有多種形式，但目前絕大多數(shù)張力控制器的輸入型號類型非常有限。

（6）PID參數(shù)無法自整定：在有些張力控制過程中，需要準(zhǔn)確無超調(diào)的PID控制，快速且自動的選擇合適PID則顯著尤為重要，但目前很多張力控制器并沒有這項(xiàng)PID參數(shù)自整定功能。

針對上述目前張力控制器中普遍存在的問題，特別是為了實(shí)現(xiàn)超高精度張力控制以及相關(guān)控制器的國產(chǎn)替代，本文將對國外高端張力控制器技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，并對標(biāo)國外產(chǎn)品介紹研發(fā)的新型浮輥和張力雙回路超高精度控制器產(chǎn)品。

二、Montalvo公司 Z4UI 雙回路張力控制器技術(shù)特點(diǎn)分析

蒙特福Montalvo公司是國外著名的張力控制相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)廠商，其最具特點(diǎn)的控制器產(chǎn)品是Z4UI浮輥和張力雙回路控制器，我們將對標(biāo)此張力控制器進(jìn)行分析。

蒙特福Z4UI浮輥和張力雙回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，控制器內(nèi)置了張力指示器，能夠同時檢測浮輥電位計信號和張力檢測器的張力信號，從而提供高精度的張力控制。它集合了浮輥吸收緩沖張力波動的功能和張力檢測器精確、穩(wěn)定的檢測優(yōu)勢，通過漸進(jìn)式“Progressive“ PID 控制電路調(diào)節(jié)放卷制動器的轉(zhuǎn)矩輸出，保持浮輥臂的位置不變來實(shí)現(xiàn)張力控制。模擬式張力表顯示卷材的張力大小，操作員可直接監(jiān)視張力穩(wěn)定性，并根據(jù)張力表顯示的實(shí)際卷材張力，來調(diào)節(jié)浮輥臂上的載荷從而保持理想張力。

由此可以看出，蒙特福Z4UI控制器是個典型的雙回路閉環(huán)控制器。其中，一個回路是通過檢測浮輥位置信號（DPS-1位置傳感器或浮輥電位器）來控制第一個電氣比例閥（I/P轉(zhuǎn)換器）壓力輸出，由此來調(diào)整氣缸位置將氣壓轉(zhuǎn)換成扭矩輸出達(dá)到張力調(diào)節(jié)。另一個回路通過檢測卷徑信號（接近開關(guān)或超聲波探頭）來控制第二個電氣比例閥（I/P轉(zhuǎn)換器）壓力輸出，由此來調(diào)整放卷位置達(dá)到張力調(diào)節(jié)。由此可見，蒙特福Z4UI雙回路控制器是通過同時對兩個變量的檢測和控制來實(shí)現(xiàn)高精度的放卷調(diào)節(jié)。

蒙特福Z4UI控制器的另外一個特點(diǎn)是采用RS-232與上位機(jī)（PLC或PC）進(jìn)行通訊，采用控制軟件進(jìn)行所有操作，減少了人工界面操作的復(fù)雜程度。

三、國產(chǎn)雙回路超高精度張力控制器

從上述蒙特福Z4UI雙回路張力控制器技術(shù)特點(diǎn)可以看出，雙回路張力控制器的核心技術(shù)內(nèi)容就是一個非常典型的雙通道PID控制器，張力的控制則是采用外置傳感器實(shí)現(xiàn)電氣比例閥的串級形式的PID控制，因此，雙回路張力控制器的技術(shù)特征就是雙通道的電氣比例閥串級PID控制?；诖朔治?，結(jié)合我們在真空壓力方面進(jìn)行電氣比例閥超高精度串級PID控制的成功經(jīng)驗(yàn)，我們可以將通用型的VPC-2021系列PID調(diào)節(jié)器（單通道和雙通道）應(yīng)用于張力控制中，由此可完全實(shí)現(xiàn)蒙特福Z4UI雙回路張力控制器的替代。

VPC-2021-2系列雙通道PID調(diào)節(jié)器是標(biāo)準(zhǔn)形式的工業(yè)用控制器，具有96×96mm、96×48mm和48×96mm三種規(guī)格，但其最大優(yōu)點(diǎn)是具有超高精度檢測和控制能力，其中具有24位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換、16位DA數(shù)模轉(zhuǎn)換和雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算能力，具備0.01%的最小輸出百分比。用于張力控制的雙通道超高精度PID控制器如圖2所示，電氣接線如圖3所示，主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）真彩色I(xiàn)PS TFT長壽命LED背光、全視角液晶顯示。

（2）獨(dú)立雙回路控制，每路控制輸出刷新率50ms，雙通道獨(dú)立的輸入和輸出，雙回路報警功能可以多功能應(yīng)用，每通道都具備獨(dú)立的PID控制功能，每個通道都可進(jìn)行獨(dú)立的手動和自動控制切換。

（3）萬能型信號檢測能力，即每通道都具備47種輸入信號形式，僅需通過設(shè)置極可完成信號類型和量程選擇，由此可滿足各種規(guī)格和形式的張力探測器的引入。除了能測量各種張力傳感器、位置傳感器給出的模擬電壓、電流和電阻信號之外，還可以測量各種溫度傳感器和壓力傳感器等各種信號，傳感器輸出端直接接入控制器并在控制器上進(jìn)行選擇即可使用。

（4）雙通道獨(dú)立控制輸出，輸出信號有線性電流、線性電壓、繼電器輸出、固態(tài)繼電器輸出和可控硅輸出五種形式，可用于直接驅(qū)動電氣比例閥（或電子壓力轉(zhuǎn)換器）進(jìn)行張力控制，也可以驅(qū)動各種閥門和加熱器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行真空度、壓力和溫度等參數(shù)的控制。

（5）支持?jǐn)?shù)字和模擬遠(yuǎn)程操作功能，支持標(biāo)準(zhǔn)MODBUS RTU 通訊協(xié)議。

（6）采用自主改進(jìn)型PID算法，支持對PV微分和無超調(diào)控制算法。5組PID存儲和調(diào)用，10組輸出限幅等實(shí)用功能。每個通道采用獨(dú)立的PID參數(shù)，且可獨(dú)立的進(jìn)行PID參數(shù)自整定。

（7）帶傳感器饋電供電功能（24V，50mA）。

（8）支持一路過程變量變送功能，變送的過程變量可選PV測量值、SV設(shè)定值、控制輸出值和偏差值，變送輸出類型有4-20mA, 0-10mA, 0-20mA, 0-10V, 2-10V, 0-5V, 1-5V七種。

（9）兩組開關(guān)量光隔輸入端，可以實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用功能的靈活應(yīng)用切換。

（10）隨機(jī)配備強(qiáng)大的控制軟件，可通過軟件進(jìn)行控制參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行控制、過程曲線顯示和存儲，非常便于過程控制的調(diào)試。

從上述國產(chǎn)控制器技術(shù)指標(biāo)可以看出，國產(chǎn)VPC 2021-2系列雙通道控制器的性能和功能要遠(yuǎn)優(yōu)于蒙特福Z4UI控制器，并具有強(qiáng)大的拓展能力，完全可以實(shí)現(xiàn)對蒙特福Z4UI控制器的替代。

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