Lenze伺服控制器在复卷机中的应用

1 引言

在玻璃纤维湿法薄毡生产中，复卷机是生产过程中的后道工序，它主要用于对毡卷的外观质量进行抽查和检验，剔除原毡卷中质量不合格或有缺陷的部分；对于生产中端面不齐的毡卷进行复卷。由于薄毡生产中，毡的幅面是定宽的，为此需要经过复卷机根据用户的要求进行分切成不同规格的毡卷，同时还可以进行产品加热对接，提供小卷拼成大卷的机会，以满足客户的要求。

2 复卷机控制系统
   
复卷机控制系统由牵引辊恒速控制系统、收卷张力控制系统、开卷控制系统和PLC与控制台组成，其控制系统示意图如图1所示。

2.1 牵引辊恒速控制系统

牵引辊恒速传动控制系统由一对被覆盖橡胶或粘贴有砂纸的牵引辊、伺服控制器FC1（EVS9326-ES）、牵引变频电动机M1、牵引减速机、旋转变压器（Resolver）、速度电位器R1等组成。牵引辊的线速度是复卷机主令速度即车速，要求设定后保持恒定。牵引辊和毡材之间不能打滑，牵引辊应有足够的牵引力，以保证其对薄毡施加足够牵引力和克服纵向分切刀、计量轮（起逆转作用）的反向力矩。在牵引辊直径、减速机减速比确定后，牵引电动机M1的转速就与牵引辊线速度成固定的比例关系。



图1 复卷机控制示意图

2.2 收卷轴张力控制系统

收卷轴张力控制系统由收卷轴、伺服控制器FC2（EVS9326-ES）、收卷电动机M2、减速机、旋转变压器（Resolver）、张力设定电位器R2及锥度设定电位器R3等组成。根据产品工艺要求，本系统采用间接张力控制以锥度（渐减）张力卷绕，不需要使用张力传感器，在控制器外部不再需要进行计算。只要设定好产品的收卷张力、锥度及卷绕速度就可以达到满意的卷绕效果。

2.3 开卷控制系统

开卷控制系统由开卷轴、伺服控制器FC3（EVS9323-ES）、开卷电机M3、减速机、旋转变压器（Resolver）、气动刹车（brake）装置和联轴（coupling）机构等组成。开卷过程采用气动刹车方式给开卷轴施加负荷，从使毡幅上产生张力，保证开卷恒张力。该系统装有“返回/向前”开关，以满足复卷机向前卷绕或者返回卷绕功能。刹车和联轴效果通过调整压缩空气压力大小得以满足，一般压力为2bar左右，当卷绕方向改变时，刹车和联轴各自开关应放在正确的位置。

向前卷绕时：brake on, coupling off
返回卷绕时：brake off, coupling on

2.4 PLC和控制台

本系统由S7-313 PLC控制，通过控制台设定卷绕张力、锥度（张力系数）和卷绕速度以保证满意的卷绕效果。卷绕控制过程的实现在控制器内部完成，PLC仅作复卷过程的逻辑控制。其机后端有电动自动纠偏装置，以保证卷材边缘整齐，控制柜上的计长控制器可以设定卷长，机组还装有验布灯和产品加热对接装置。



图2  控制器FC1+FC2 CAN总线信号图

3 收卷控制过程的实现

3.1 系统总线CANbus控制

本系统中牵引辊伺服控制器FC1和卷绕轴伺服控制器FC2型号均为EVS9326-ES，该控制器集成CAN总线接口X4，X4 GND为CAN总线参考电位；CAN LO为CAN总线I/O低电位端;CAN HI为CAN总线I/O高电位端。采用专用双绞屏蔽电缆将两台9326控制器的X4端子对应依次连接，并在控制器FC1和FC2的X4之LO和HI端子各接入120Ω终端电阻。为了实现控制器FC1和FC2间信号传输，需要对控制器FC1和FC2进行参数设置：

CAN总线地址设置：CAN总线地址由C0350决定。

控制器FC1、FC2 CAN总线地址分别为1和2。

CAN-IN2/OUT2地址设置：

FC1: Main Drive
C0350/000  CAN address  = 1
C0354/003  IN2 addr2=257
C0354/004  OUT2 addr2   =258
FC2: Winder Drive
C0350/000  CAN address  = 2
C0354/003  IN2 addr2=258
C0354/004  OUT2 addr2   =257

由此可知：控制器FC1的CAN输入是控制器FC2的CAN输出，控制器FC1的CAN输出是控制器FC2的CAN输入；同样，控制器FC2的CAN输入是控制器FC1的CAN输出，控制器FC2的CAN输出是控制器FC1的CAN输入。控制器FC1+FC2 CAN总线信号图如图2所示。

事件触发的循环过程数据信道CAN-IN2、CAN-OUT2是9326伺服控制器的内部功能块，CAN-IN2在一定条件下可以接收来自另一控制器CAN-OUT2发出的数据，收发均为8个字节数据，其中1、2、3、4字节可用于32位二进制信号或两个准模拟信号或一个32位双字相位信号。此处FC2的输入CAN-IN2是FC1的输出CAN-OUT2，FC2：CAN-IN2.W1为牵引辊速度，CAN-IN2.W2为卷径比，CAN-IN2.W3为卷绕直径，CAN-IN2.W4为转矩定额值补偿。FC1的输入CAN-IN2是FC2的输出CAN-OUT2，FC1：CAN-IN2.W1为卷绕转速，CAN-IN2.W2为卷绕力矩定额值，CAN-IN2.W3为卷绕直径补偿。经过图2功能块信号转换和数据处理从而实现复卷过程变转矩锥度张力控制。

图2中，控制器FC1的速度给定信号X6/1、2来自于控制操作台面板上的速度电位器，可根据产品要求通过速度电位器任意设定。控制器FC2的张力设定信号和锥度设定信号也分别来自控制操作台面板各自的电位器。该信号是一个十进制表示的准模拟信号，单位为“%”，如机器速度是用以100m/min为100%进行折算的百分数，并根据信号流图运算的需要冠以负号，如-60%即表示速度为60m/min。

3.2 信号转换和数据处理

对主驱动伺服控制器（FC1：main drive）而言，内部电机控制功能块MCTRL的输出信号MCTRL-PHI-ACT为电机的实际转速（rpm），CAN-IN2.W1为卷绕驱动电机的转速（rpm），两者分别作为算术块ARIT1的输入端IN1和IN2，经过运算后得到卷绕直径：
d=主驱动转速 / 卷绕驱动转速 × dmin[%] /100

对卷绕驱动伺服控制器（FC2:winder drive）而言，CAN-IN2.W2为卷绕直径比y，y=卷绕转速 / dmin 1，它是算术块ARIT1的输入端IN1，ARIT1输入端IN2为锥度（HW），经过算术运算后得a= HW×y；再经过ADD1加法运算结果为a + 1。收卷控制器转矩指令M=M0（a+1）

M=M0（HW×y+1）
=M0[HW×（d / dmin-1）+1]
=M0•HW •d / dmin+M0•（1 HW） ……①



图3

而收卷转矩过程值M = F•d ……②

由关系式①②得知:收卷控制器张力指令 F= M0•HW•1 / dmin+M0•（1 HW）/d

= F0•HW + F0•（1 HW）d/dmin……  ③

其中：M0= F0•dmin

M0:起始转矩 M：转矩过程值 HW:锥度 dmin：最小卷径 d：实际卷径 F0：设定张力F：张力过程值

收卷控制过程按照上述数学模型进行变转矩锥度张力控制。

4 卷绕特性分析

对复卷机而言，要保证复卷后毡卷达到理想的复卷效果，其中收卷过程张力控制尤为重要，张力控制的好坏直接影响产品复卷质量。多数情况下，要求收卷过程中张力保持恒定。但是，对于玻璃纤维湿法薄毡而言，要求卷绕过程中内紧外松，即采用渐减（锥度）张力控制，要求从空轴到满轴卷绕过程中，毡幅张力随着卷绕直径增大而逐渐减小，其锥度值要符合工艺要求。

变转矩锥度张力控制模式的转矩-直径曲线和张力-直径曲线如图3所示。

从曲线图可以看出，该卷绕控制为变转矩变张力控制，也就是说随着直径的增大和锥度设定的不同，转矩都在增大，而张力变化却不同。

当锥度系数HW =100%恒张力卷绕。
当锥度系数HW ≤100%   锥度张力（渐减张力）卷绕。
当锥度系数HW >100%递增张力卷绕。

当锥度系数HW设定后，卷绕转矩是沿着不同锥度值的直线递增，而卷绕过程张力的变化过程是曲线递减或递增。例如当锥度系数HW设定100%，张力衰减意味着超过直径时张力不下降即恒张力；当锥度系数HW设定70%，卷绕到最大直径时，最终卷绕张力比设定张力下降30%，也就是到达最大直径时的保留张力是设定张力的70%；HW设定 0% 时最大直径时卷绕张力降低为0；当锥度系数HW设定130%时，张力递增变化。

另外伺服控制器内部设有转矩补偿功能以消除了半径变化引起的对张力的干扰。

5 结束语

复卷机的主要传动点是收卷辊和牵引辊，如何保证薄毡连续并满足复卷后毡卷的内紧外松的要求。需要根据毡卷直径和转矩、张力控制曲线自动调整卷绕控制过程以达到纸卷“内紧外松”的工艺要求。本系统配置简单，功能完备，具有相应快，稳定性好，故障率低，运行可靠，维护简便等优点，其控制原理和实现方法可广泛的应用于相关行业。