李方園（1973-）男，浙江舟山人，畢業于浙江大學電氣自動化專業，高級工程師，長期從事于變頻器等現代工控產品的應用與研究工作。

　　摘要：在工業生產的很多行業中，都需要進行精確的張力控制，保持張力的恒定，以提高產品質量。這些行業如造紙、包裝、印刷、染整、線纜、纖維、橡膠等片材、線材和帶材的加工和制造。本文介紹了典型的張力控制系統、張力傳感器以及變頻系統的構建。最后以TD3300和SAMCO-VM05為例介紹了應用的具體場合和參數設置。

　　關鍵詞：變頻器；張力控制；收卷；放卷
　
　　Abstract: Many industries should make the accurate tension control in order to make the constant tension and the good quality in the paper making, package, printing, and so on. This paper will describe the representative tension control system, tension  transmitter and construction of AC inverter. Finally TD3300 and SAMCO-VM05 are introduced for the detailed application and parameter setting.

　　Key words: AC inverter; Tensiong control; Winding; Unwinding

　　在工業生產的很多行業中，都需要進行精確的張力控制，保持張力的恒定，以提高產品質量。這些行業如造紙、包裝、印刷、染整、線纜、纖維、橡膠等片材、線材和帶材的加工和制造。從行業的發展趨勢看，張力系統在很多應用領域中是控制產品質量和生產效率的重要因素，并將得到越來越多的重視。

　　1典型的張力控制系統

圖1所示為典型的張力控制收卷和放卷示意圖。

　　1-電機  2-磁粉離合器  3-收卷芯  4-傳動輪  5-張力檢測輥

　　6-荷重傳感器  7-放卷芯  8-磁粉制動器  9-自動張力控制儀  10-控制器

圖1   張力控制收卷和放卷示意圖

　　張力控制系統，其基本元件包括張力控制器，離合器及制動器。張力控制可以分成手動控制和自動控制。手動控制器即穩流電流是依收料或出料的變化而分階段手動調整離合器或制動器的激磁電流，從而獲得一致的張力。自動張力控制器由張力傳感器檢測張力，控制器把張力數據處理后再去自動調整離合器或制動器的激磁電流從而控制卷繞物的張力。在放卷端，放料的張力是依設于放料組的磁粉制動器的扭矩而定。在收卷端，收料張力由磁粉離合器的傳遞扭矩來決定，為要保持固定的張力，須按卷徑的大小來加大或減少傳遞扭矩。自動張力控制器是以單片機為核心的一種新型智能張力控制器，其響應速度快，控制精度高，LED數字顯示張力值，手動/自動兩種狀態能緩沖無斷點切換，使運轉更加平滑;在自動狀態下如卷繞物意外斷裂或整機停機，該控制器能自動保持斷點時的張力。

　　自動張力控制器啟動后自動進入手動狀態，而后如果觸發手動/自動鍵，則自動燈亮，控制器進入自動狀態。再觸發則又返回到手動狀態。在手動狀態下，可以在額定范圍內調節輸出電流的大小，同時可以觀察到實際張力的大小的變化。同時可以調節設定張力的張力值，當有加調節鍵或減調節鍵按下時，設定張力將改變。無論在手動狀態或自動狀態，如果按下存儲鍵，則把當前的設定張力值和加載電流值保存，即使斷電后，仍被存儲。當系統復位或重新啟動時，設定張力和輸出電流將自動恢復成存儲值。
　
　　2張力傳感器和張力信號

　　張力傳感器的功能就是能在生產過程中對片材、線材、帶材及其它類似產品的張力進行在線連續測量，并能提供瞬時值。常見的張力傳感器主要有以下幾種：

　　2.1 承座式張力傳感器

　　它是對張力直接進行檢測，與機械緊密地結合在一起，沒有移動部件的檢測方式。通常兩個傳感器配對使用，將它們裝在檢測導輥兩側的端軸上，料帶通過檢測導輥施加負載，使張力傳感器敏感元件產生位移或變形，從而檢測出實際張力值，并將此張力數據轉換成張力信號反饋給張力控制器。最終實現張力閉環控制。其優點是檢測范圍寬，響應速度快，線性好。缺點是不能吸收張力的峰值，機械的加減速難以處理，不容易實現高速切換卷等。因此，當處于平衡狀態的張力控制系統受到較強的干擾時，系統瞬間來不及作出反應，料帶上張力變化的幅度值會較大，對張力控制盡快重新進入平衡狀態不利。

　　張力傳感器放置在輥子的支持軸承下方，由剛性材料做成，它只對水平方向的張力起作用。當一定張力的片材通過該輥時，片材所受到的張力分成兩部分（水平方向的力FR和垂直方向的力FV)。如圖2a所示，設張力為T，FT為輥子和軸承的重力，α、β為片材的夾角，則

      FR＝Tx(cosβ–cosα)

      FV=Tx(sinα－sinβ)+FT

　　根據張力傳感器的值FR就可以計算出該片材此時的張力值T。

　　承座式張力傳感器一般是由特殊的剛性材料做成，如ABB公司PFTL101A、101B系列的傳感器是由CrMoS17組成的特殊不銹鋼材料做成。其工作原理通常有以下三種：

　　(1)壓磁式

　　張力傳感器的初級線圈和次級線圈正確通過傳感器的四個孔（其中初級線圈為激勵線圈，次級線圈為感應線圈）。在正常情況下（即無水平張力）初級線圈的感應磁場如圖2b所示，由于孔的合理放置，次級線圈無感應電壓產生。當水平張力T作用在傳感器上時，初級線圈的電磁場就會產生變化，從而次級線圈就會感應出相應的電壓,如圖2c。一旦水平張力作用改變方向，次級線圈的電壓極性也相應改變。張力傳感器的激勵信號為330Hz、0.5A的交流信號，張力作用的大小反映在輸出信號的幅度上，張力的方向則反映在輸出信號的極性上。信號放大器的作用就是先過濾為DC信號，然后通過增益運算放大器，最后可以選擇適當的加法器、減法器等輸出張力控制所需的紙幅A側張力信號、B側張力信號、A側＋B側的張力之和信號和A側－B側的張力之差信號。

　　該類型傳感器通常是由兩塊鐵板和四片彈性鋼片聯接組成的。四片彈性鋼片用來吸收垂直方向的分力，磁性測量元件安裝在中間二片鋼片的當中，使測力計只對測量方向上的機械應力敏感。在測量過程中，磁彈性元件由于受機械應力的變化，將產生磁性材料的導磁性能變化。該元件是用一種經過特殊技術處理過的多片金屬薄片組成。在元件上繞有兩個交叉而互成垂直角度的兩個線圈，在沒有外界機械應力時，因為兩個線圈相互垂直，故不會出現磁耦現象，即在次級線圈上不會產生感應電壓。當磁性元件在測量方向上受到機械應力時即出現磁耦現象。在次級線圈上產生與機械力成正比的感應交流電壓信號，通過信號處理，輸出一個與機械力大小成正比的張力信號。

圖2    張力傳感器的測量原理和工作原理

　　a)張力分析   b)不受力時的張力傳感器   c) 不受力時的張力傳感器
　
　　(2) 壓敏電阻

　　該傳感器安裝于軸承和機架之間，記錄水平方向的卷筒張力，采用相應的放大器來進行全橋電壓供給和測量信號的處理。放大器輸出端的信號和徑向作用力成比例，可用于數字顯示或作為閉環回路的瞬時值。

　　如美國蒙特福T系列就屬于壓敏電阻型。

　　(3) 板簧式微位移張力傳感器

　　承座式優點是檢測范圍寬，響應速度快，線性好。缺點是不能吸收張力的峰值，機械的加減速難以處理，不容易實現高速切換卷等。因此，當處于平衡狀態的張力控制系統受到較強的干擾時，系統瞬間來不及作出反應，料帶上張力變化的幅度值會較大，對張力控制盡快重新進入平衡狀態不利。

　　如日本三菱LX-TD型屬于板簧式微位移張力傳感器。

　　2.2 浮輥式(DancerArm)張力檢測方式

　　它是一種間接的張力檢測方式，實質上是一種位置控制，當張力穩定時，料帶上的張力與氣缸作用力保持平衡，使浮輥處于中央位置。當張力發生變化時，張力與氣缸作用力的平衡被破壞，浮輥位置會上升或下降，此時擺桿將繞M點轉動并帶動浮輥電位器一起轉動。這樣，浮輥電位器準確地檢測出浮輥位置的變化，它將以位置信號反饋給張力控制器，控制器經過計算并輸出控制信號，控制伺服驅動系統進行糾偏。然后浮輥恢復到原來的平衡位置。由于浮輥式張力檢測裝置本身是一種儲能結構，利用其自身的沉余作用，對大范圍的張力跳變有良好的吸收緩沖作用，同時也能減弱料卷的偏心（橢圓）以及速度變化對張力的影響。此系統要求氣缸磨擦系數小，響應速度快，氣源穩定。浮輥和擺桿的重量要輕，轉動要靈活。

　　2.3 浮輥/反饋復合式張力檢測方式

　　它可同時檢測由浮輥電位器輸出的浮輥位置信號和張力傳感器輸出的張力信號，從而可向系統提供更高精度的張力控制。其特點是：它不但具有浮輥控制對大范圍張力跳變的吸收或緩沖功能，而且還對機器加、減速時有很好的緩沖平穩作用，并容易實現高速切換卷。具有張力傳感器閉環控制的高精度、高重復性的特點。例如美國蒙特福(MONTALVO)公司的X/D3000型浮輥/反饋復合式張力控制裝置就屬于該種類型。

　　2.4 由卷徑得出的張力檢測方式
　
　　它是用安裝在卷軸處的接近開關、檢測出卷軸的轉速，并通過所設定的卷軸直徑初始值和材料厚度，累積計算求得收卷或放卷筒當前的直徑，相應卷徑的變化輸出控制信號，以控制收卷轉矩或放卷制動轉矩，從而調整料帶的張力。因為卷軸每轉一圈，卷徑會發生2倍于料帶厚度的變化。此種張力控制不受外界剌激的影響，能實行穩定的張力控制。

　　3 張力控制與變頻

　　3.1 張力控制原理

　　以造紙機的張力控制為例，在圖3a的張力控制示意圖中，傳動電機M的張力實際值是位于它前面的張力傳感器的實際值。通過檢測該處的張力情況，來控制傳動電機M的速度，從而形成一個張力閉環。電機M的速度加快，則紙幅拉緊，張力的實際值就會上升；相反，速度降低，則紙幅松垂，張力的實際值就下降。

圖3  張力控制示意圖

　　a)造紙機張力控制                         b)張力控制原理

　　在這里，紙幅張力的設定值為T設定，實際值為T實際，經過張力控制器(T-控制)的PID調節器后，再乘以3％的偏移量，做為該傳動點速度設定值的一個組成部分。原來傳動的速度設定值(V設定)加上該組成部分，就是速度環(V-控制)的輸入值，然后即可進行速度控制。在這里設置3％偏移量的目的就是通過傳動速度的改變而使張力得到有效的控制。

　　在圖3b的張力控制原理中，T-控制就是張力控制模塊的實現，包括自動和手動方式兩種來進行。張力控制模塊投運前需先檢測判定現在的張力實際值是否在可投運的范圍之內，否則就不能投運，此時按手動投運按鈕或自動投運信號為“1”時，即進入張力控制模塊的循環中。張力PID模塊的退出，它的條件為相關部位檢測到斷紙信號或按手動退出按鈕。

　　3.2 張力控制軟件流程

　　這里以某一點的張力控制為例，采用PLC語言進行編程進行張力軟件的設計，其示意如圖4所示。由此可以推廣到多點張力控制中去。

　　(1) 讀取張力設定值

　　張力設定值的輸入可從工藝控制臺上進行，并可通過脈沖開關的動作對設定值微調，以符合實際紙幅穩定運行的需要。

　　(2) 讀取張力實際值
　
　　張力實際值的產生是從PLC的模擬量板中獲取的，調用相應的功能塊程序。本過程讀取張力的模擬量值后，在輸出端得到標準化的量值，并可通過“高限”和“低限”參數來設置量程。從模擬量輸入板讀出的模擬量值首先是變換為右邊對齊的定點數（以標稱范圍為基礎)。

　　(3) 張力控制投入判斷

　　張力控制是否投入取決于工藝的需要和紙幅是否已經上卷、紙幅是否斷裂，在其它邏輯塊中進行手動按鈕投入或自動信號投入的設定，以及自動退出。因此這里需要判斷張力控制是否投入，如已投入，則進入張力PID控制模塊，否則就只是顯示數值和信息，不進行控制。

　　(4) 張力PID控制模塊
　　
　　張力PID控制模塊可以調用標準的功能塊，以執行閉環控制系統。PID算法是在特殊的時間采樣分隔下調用的，并產生操作變量，采樣間隔時間越短觀察得越精確，控制器完成任務就越精密。因此，在接口數據塊中指定的控制參數必須適應于采樣周期。

　　(5) 顯示張力設定實際值

　　負責將張力的設定值和實際值顯示在工藝控制臺上。

　　(6) 分析效果信息提示

　　在軟件設計中，應該對張力系統的實際運行效果進行分析并提示信息：（A）斷紙狀態時，如果檢測到某點的張力實際值與基準零點的偏差值過高則顯示“張力零點偏移”，出現該情況的可能有張力傳感器檢測故障、張力信號放大器零位漂移、軸承支座卡死等；（B）正常出紙時，張力瞬時實際值超過設定值過高，達到設定值的2倍以上時，此時提示“張力實際值HH”，出現該情況將預示該處紙幅緊度過高將引起斷紙；（C）正常出紙時，張力控制器的輸出值振幅過寬，此時提示“張力控制輸出值HH”，出現該情況表明紙幅縱向波動大，需對多點的速度值進行調整。

圖4   張力控制軟件流程圖

　　在某紙廠的多點紙幅張力控制中，選取其中的一點進行測試（如圖5）。橫坐標為時間，縱坐標為張力實際值的百分比。以斷紙時間開始（0S），一直處于紙幅斷裂狀態，則張力實際值一直為“0”；從44S開始進行引紙，隨著紙幅從半幅到全幅，張力實際值也逐漸快速上升并呈不規則波動；在98S時，進行張力控制模塊的投運，因為是PID控制，先出現明顯的超調和震蕩，然后超調量減少，最后張力的實際輸出值慢慢接近設定值（67%）。當然，選取合適的參數值甚至再增加合適的回路，將會進一步減少超調量和震蕩周期，使紙幅的張力值穩定在允許的范圍之內。

圖5   張力控制效果

　　4 中心收卷和張力控制

　　4.1 中心收卷的概念

　　卷取是一種常見的控制系統，廣泛應用于造紙、印刷、染織等生產過程中的后續工作，以制成半成品或成品卷筒物。卷取的方式常見的有2種：即摩擦卷取和中心卷取。前者對機械的要求復雜，而且卷取的效果受摩擦輥的影響很大，包括物料的光澤度、端面情況、松緊度等都會在卷取工藝中變差。后者在機械程度上很簡單，卷取時只受到自重的影響，卷取的效果自然好許多，然而長期以來中心卷取的控制系統只能在直流控制或磁粉控制二者中進行選擇，控制的成本很難降低。

　　在中心卷取中最常用的是以下2種控制方式：(1)速度控制卷取(SPW)，用PID通過測力傳感器的張力反饋，或調節輥的位置反饋，來修正速度給定；(2)電流控制卷取(CPW)，用PID調節張力給定，這一類型的控制一般是開環的。

　　對如此復雜的張力控制系統，變頻技術必須克服以下4個技術問題：(1)將復雜的交流異步電機的數學模型簡單化；(2)考慮到張力反饋信號的延后和超調；(3)將卷繞張力控制過程的動態參數描述成時變函數；(4)保證張力或轉矩閉環的抗波動能力高和即時調節性好。

　　通常情況下，具有張力控制的變頻控制系統，是建立在對變頻器、電機和張力對象的數學模型研究的基礎上，它包括：(1)Ud～Id之間的傳遞函數；(2)Id～M之間的傳遞函數；(3)轉矩M～轉速n之間的傳遞函數；(4)控制電壓Uk～變頻器輸出電壓Ud之間的傳遞函數；(5)物料張力的動態數學模型。在一般情況下，張力專用的變頻器由直徑、轉矩補償和速度計算等模塊組成。

　　4.2 張力專用變頻器

　　作為絲線、布匹、紙張之類的卷繞裝置而應用了形形色色的方式，但在本產品所配備的卷繞控制功能，將不再需PLC及昂貴的矢量變頻器或是轉矩電機等，就能構筑成廉價的卷繞系統。其基本構成情況如圖6的卷繞系統所示那樣，把兩臺或兩臺以上的變頻器直接連接，把張力架的張力予以反饋并設定好卷繞功能，即能實現各種豐富多彩的卷繞控制。

圖6   張力專用變頻器的卷繞應用

　　功能完善的張力專用變頻器，整合了絕大多數張力控制器的特點，能夠取代張力控制器，專用程序控制器、伺服控制器和力矩電機等設備；實現高可靠性的精確控制，滿足用戶各種卷繞要求，從而為用戶提供并構筑低成本、高性能的卷繞控制系統。

　　4.3 TD3300張力專用變頻器

　　TD3300張力控制專用變頻器是艾默生網絡能源有限公司的最新產品，它具有TD3000矢量變頻器的所有高性能，同時又可實現張力閉環控制和張力開環控制，以滿足各種卷取要求。

　　TD3300變頻器具有卷取控制的各種功能：(1)各種卷徑的計算，包括線速度計算、繞圈計算、模擬設定、上位機給定等；(2)卷徑模擬輸出，實現人機友好交互功能；(3)多種線速度測量方式，包括脈沖輸入、模擬輸入、數字輸入等；(4)實現張力錐度的設定；(5)實現轉矩補償的功能，如彎曲力矩補償、靜態力矩補償、慣性力矩補償等；(6)具有自動換卷邏輯功能，實現在線換卷功能。

　　TD3300張力控制變頻器共有4種張力控制方式，包括張力閉環控制（需要張力傳感器、增加成本、控制精度最高）、間接張力控制一（需要卷徑傳感器、增加成本、控制精度較高）、間接張力控制二（成本較低、控制精度較高）、間接張力控制三（成本較低、控制精度差）。此四種方案的配置主要是考慮系統的張力控制精度要求、系統的成本要求等，用戶可以根據實際情況決定采用哪種張力控制方式。

　　4種控制方式具體的原理和應用如下：

　　(1) 張力閉環控制  對于張力控制精度要求較高的場合，如軋卷染色機，它需要通過張力檢測輥的輸出張力信號來構成張力閉環控制，對于變頻器來說采用速度控制方案和PID閉環控制。

　　(2) 間接張力控制  它通過卷徑傳感器測量的卷徑模擬信號進入變頻器的模擬輸入口，而變頻器則根據測量的卷徑進行張力控制。這里，卷徑是通過測量而不是通過計算而得，因此張力控制的精度相對較高。

　　(3) 間接張力控制  在線速度可以檢測的場合，可以采用此法，通過檢測到的線速度及電機角速度計算卷徑，從而控制張力。通常應用在如干式復合機、拉幅定型機等收卷系統中。
　
　　(4) 間接張力控制  當對張力的控制精度要求不高，卷繞的厚度已知且變化不頻繁的情況下，可以采用厚度累積法計算卷徑，實現間接張力控制。

　　圖7所示為TD3300變頻器在某干式復合機收卷系統中的配置原理，這里選用了經濟而實用的間接張力控制二，即卷徑采用模擬量輸入線速度計算法的方案。由于收卷電機的前級為復合輥電機，也為變頻器控制，它能通過模擬量口輸出0~10V或4~20mA信號，與線速度成比例，即0V為0速，10V為最高線速度。因此，通過此信號，張力變頻器TD3300就能正確地計算出卷徑信號（D＝S×V/N公式具體見下），從而利用變化的卷徑開環控制轉矩輸出值來保持恒張力控制。

　　在該方案中，復合輥電機的線速度通過AI3口進入變頻器TD3300，張力設定值（零速張力設定和正常張力設定）通過高精度電位器輸入到AI1、AI2口。在輸入端子功能中，包括啟動停止命令、卷徑復位命令、PG接口；在輸出端子功能中，包括直徑數字顯示、張力數字顯示、故障燈指示、卷徑達到指示。

　　本系統中卷徑的計算公式如下：D＝S×V/N（D為卷徑，S為定常系數，V為檢測到的線速度，N為收卷電機的實際運行轉速）。為保證卷徑計算的準確性，必須注意：

　　V的準確性因為AI3輸入的0－10V信號對應于0－卷取控制時的最高線速度，因此必須準確求出該最高線速度值。

　　N的準確性N的準確性來源于PG編碼器的信號和收卷電機減速器的傳動比，因此根據PG和減速器的銘牌正確輸入參數至關重要。

　　卷徑計算濾波時間為保證在加減速和零速時正確地計算卷徑，必須盡可能延長卷徑計算濾波時間，一般取5S為宜。

圖7   TD3300變頻器收卷應用配置圖

　　這里設定張力的數值有2個，即零速張力和正常張力，前者是零速繃緊的設定張力，后者是正常收卷中的張力。前者的目的是保持薄膜卷在低速運轉或停止時，變頻器停止卷徑計算，按照零速設定張力進行作用，目的是為了保證張力的恒定。張力的信號通過模擬電位器輸入到變頻器，是一種簡單而實用的辦法，能讓操作者根據不同的材質、不同的幅寬正常設置。

　　當然，這里還需涉及到張力錐度系數的設定和張力補償的問題。錐度系數是用于修正卷繞過程中由于卷徑變化的張力，避免卷筒內松外緊的現象，其計算公式如下：F＝F0×（1－K×（1－D0/D））。F為實際張力，F0為設定張力，K為張力錐度系數，D0為初始卷徑，D為卷徑。張力補償包括靜態補償和動態補償2種，靜態補償主要是摩擦力補償，動態補償則考慮到由于卷徑的轉動慣量隨D的增大而增大的影響。

　　為保證操作者的正常使用，TD3300變頻器具有直徑信號、張力信號模擬量輸出值，因此可以方便地外接數顯表來實時顯示。同時卷徑達到指示方便操縱者換卷和卷徑復位。

　　4.4 SAMCO-VM05卷繞專用變頻器

　　SAMCO-VM05卷繞專用變頻器是三墾公司推出的代表性產品，它可以適用于下述系統：

　　(1) 拉絲機的卷繞裝置；

　　(2) 紙、布、塑料薄膜等的摩擦輥方式卷繞裝置；

　　(3) 非聯動的多臺送卷機；

　　(4) 絞線機；

　　(5) 低張力的恒速卷繞機。
　
　　SAMCO-VM05的卷繞功能可以分三種，具體如表1所示。

表1   SAMCO-VM05的卷繞功能示意表

　　SAMCO-VM05在印花機系統中（圖8），各種顏色的印花過程當中，細長物的移動暫時停止下來，這時在末端的卷繞部分，若無任何補正，細長物也會產生很大的速度變化。通常在定速的卷繞情況下一般使用摩擦輥，但在此情況下在卷繞裝置的前段需要根據速度變化而吸收張力變化的張力架。而且在細長物完全停止的狀態下，會有超過張力架的移動范圍的情況，所以有必要使卷繞側的速度可變。

圖8   SAMCO-VM05的印花機應用    

　　參考文獻

　　[1] 李方園.變頻器行業應用實踐[M]. 北京:中國電力出版社.2006.

　　[2] 李方園.變頻器自動化工程實踐[M]. 北京:電子工業出版社.2007.

　　[3] 張燕賓,胡綱衡,唐瑞球.使用變頻調速技術培訓教程[M]. 北京:機械工業出版社. 2004.

　　[4] 吳忠智,吳加林.變頻器應用手冊(第2版)[M]. 北京:機械工業出版社.2003.

　　[5] 吳忠智,黃立培,吳加林.調速用變頻器及配套設備選用指南[M]. 北京:機械工業出版社.2002.