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摘要：半成品或成品如纱和卷布等在纺织生产过程中，被分批放置在浆纱机上浆，卷染机将纱和卷布绕在收放辊上。这些设备在卷绕过程中都有恒张力控制这样一个共同的问题，直径最小的到直径最大卷绕中纱线和织物张力要求保持不变。利用变频器的中心卷绕功能可以较好的解决卷绕恒定张力的控制问题。随着变频技术的问世，人们考虑把频率控制技术应用到中心卷绕上，交流电机可以发挥自己的优势：内部结构简单，坚固耐用，经济可靠。经过几年的实践证明，变频调速技术可以满足国内外的中心卷绕技术，包括在整经机，浆纱机，卷染机和其他设备已广泛应用。
关键词：中心卷绕 卷绕张力 变频器控制 卷径计算 称重传感器
前言：卷绕过程中接触面的摩擦力不是固定的，当电机转速恒定时滚筒的线速度不可能完全相同，尤其是主动卷辊表面光滑或操作初期，由于滚筒的摩擦较小，驱动时产生相对较小的滑动，张力不易控制，所以会有滚筒轴芯线圈不实，随着滚筒直径的增加，同时重量也开始增加，滚筒和驱动滚筒间产生了更大的摩擦，卷绕张力增加，如果速度调节不合适，由于表面的不规则性将挤压卷芯，造成卷材挤出或端面不齐整。要让卷绕装置获得均匀的卷绕张力，要经常对滚筒增加配重，用以调节气动或液压式滚筒轴上施加垂直向下的力，以保证表面摩擦辊缠绕过程中，张力稳定的要求，使材料的密度、硬度和缠绕效果达到最好。
1.卷绕方式和卷径
纺织机械专用变频器卷绕张力的控制主要是张力闭环控制和间接张力控制两种。张力闭环控制方案应用于精度要求较高的张力控制，张力传感器检测缠绕张力，转换器反馈信号，通过交流伺服驱动和变频器构成一个闭环张力控制系统。间接张力控制方案没有张力传感器，通过专用交流伺服驱动器，根据所需转矩间接地控制纱线或织物的表面张力。该方案具有低成本、易于掌握张力的控制精度。
由于表面摩擦决定卷材的繞效果，卷筒和驱动辊必须有足够的摩擦力，驱动辊需要注意橡胶或草皮的保养更新。但对某些织物表面摩擦太大就会损坏织物或产生静电，所以中心卷绕有其应用的必要性。卷径计算一般有两种方式，第一种方法是通过PLC进行卷径计算。检测出速度输入PLC的绕线电机，由PLC进行卷径计算后再由变频器输出结果，控制绕组轴或滚轮的速度。第二种方法：利用变频器的卷径计算功能，由内部完成卷径计算（多数采用折是更高速的DSP芯片和相关软件），调节卷绕张力就以变频器计算的直径为标准。国内外公司都推出了专有卷绕变频器产品，如西门子公司，ABB和艾默生公司。
2.中心卷绕张力控制系统
中心卷绕驱动组的电机驱动卷绕轴由变频器控制，保证卷绕张力的控制达到最佳效果。传感器检测的结果回到PLC模拟量输入端，输出信号的检测准确可靠，输出速度信号与张力检测信号叠加输入另一变频器进行PID调节，从而实现卷绕组闭环控制。中心卷绕张力控制包括恒张力控制和张力锥度控制两个方面，恒张力控制中的锥度张力控制是一个特殊的情况。恒张力卷绕卷筒的直径一直变化，必须保证速度和轧辊直径成反比，电机的转矩和螺旋线圈的直径成正比，从而使卷材达到紧凑、均匀的效果。这种方式应注意卷绕结束时扭矩将达到最大，根据减速器齿轮选择电机的额定转矩。缠绕过程中卷筒直径发生改变，支撑轴和驱动轴的摩擦扭矩和速度在过渡中也发生改变，这些变化将导致织物表面恒定张力的波动，电动机输出电磁转矩时，需要克服摩擦力矩的机械惯量，在卷绕过程中对转矩进行动态补偿、静态补偿和加速补偿，确保变频器控制电机的转速和转矩可以自动适应这种变化。
中心卷绕轴系统：电动机，减速器驱动绕组带（卷绕轴可逆控制）；
弹性框架（张力）位置检测系统：电位器检测浮动辊的位置，所施加负载上的浮辊张力控制；速度测量系统：塑胶靠轮等。
例：93EV的中心卷绕控制
卷径变化范围较大的工况，如超过1：10； 带松紧架（Dancer Roll）的速度控制方式下的带状材料中心卷绕（收卷或放卷）控制；用负荷传感器控制张力的情况，需要细致调整调节器，减小速度波动；以收卷为例加以说明，示意图如下：
93EV内部信号处理流程图如下：
实现过程：X9信号接受主机线速度信号，AIN1接受张力实际信号。
信号具体变化过程如下：初始卷径与输入线速度产生初始卷绕速度------卷径增大，张力辊上移------PID调节器产生相反的调节量------卷绕速度降低，产生新的计算卷径，循环往复。由此保证恒定线速度收/放卷。
3.称重传感器在带料的卷绕控制的应用
卷绕控制是许多工业生产中最常见的问题。在纺织品，塑料薄膜和丝带等产品生产过程中恒张力的控制对产品的质量有着重要的影响。检测扭矩可以选择不同调控元件的组合，还要有不同的张力控制方案，用称重传感器直接测量张力最容易控制。称重传感器的张力释放可以采用磁粉制动器和磁粉离合器调节输出转矩，再用调试好的单片机系统配合使用，对张力的测试可以达到很高的精度。
系统选用应变式双孔平行梁称重传感器，输出灵敏度高，在额定负载条件下选择了称重传感器。该传感器的技术相对成熟，并已得到广泛应用。磁粉制动器是一种新型的转矩控制元件，在额定的转矩范围内，转矩和励磁电流是成正比的，可以被视为一种线性控制元件。磁粉制动器加载装置的制动控制系统广泛应用于各种工况环境中。
该系统是由单片机控制的闭环系统，直接通过张力传感器的反馈对张力进行调整。单片机通过反馈量和供应链的综合运算，其结果是降低了转换器的输出电压，驱动输出电压和磁粉制动器的励磁电流都有下降的趋势，磁粉制动器力矩变小，从而实现恒张力控制。通过控制磁粉离合器输入轴和输出轴之间的滑差来实现恒定张力，与磁粉制动器的工作原理是基本相同的。对要求恒张力的生产线来说，称重传感器系统的反馈式调节恒张力的控制性能优于其他间接反馈，该系统实用，可靠，成本低，结构简单，易于安装和使用。
锥度张力控制原理是在卷绕过程中由锥度张力控制转矩，直径逐渐增大，缠绕角速度减小，张力逐渐降低，实现了外层放松的效果。锥度张力控制模式本质上是驱动转矩控制模式，改变驱动卷绕速度常数，转矩模式可以满足这一要求。在转矩控制模式中，根据给定的扭矩和线圈的直径设置液压张力，并可以计算出变频器的扭矩值，如果扭矩小于给定值或速度有一定的浮动，卷绕速度、转矩和转速也相应的在一个给定的范围内浮动。由于卷绕锥度张力通过电机的转矩控制，早期阶段物料松散，张力小，卷绕电机阻扭矩几乎为零，电机在转矩控制模式的速度远高于理想速度，受到速度和卷筒直径的影响，此刻材料不可避免的会出现断裂。因此，在初始阶段的速度控制很重要，电机的速度可以逐渐稳定最终达到输出转矩的理想值。电机的速度控制模式运行速度比理想的值稍快，对材料逐渐收紧的影响不是立竿见影，材料绷紧后，由于力矩限制器缠绕机将无法达到给定的速度，速度控制达到饱和，力矩相当于实际的电机转矩，锥度张力控制转矩比较稳定，所以这种情况下卷轴也不会损坏。
4.结束语
中心卷绕恒定张力的控制系统以实现卷绕张力的稳定控制，张力闭环控制系统的动态性能、PLC控制和变频系统及称重传感器对这一生产过程中张力进行控制，调节静态、动态摩擦补偿和机械惯性增强自动应变能力；根据直径和线速度传感器的设定值计算电流，控制电机的速度，从而得到基本恒定的张力，产品质量的关键就是对缠绕张力的控制。卷绕张力过大可以使织物拉伸变形或断裂；张力过小会出现松弛，拉伸失稳将导致卷筒不一致，端面不平等问题。因此，为了获得良好的质量，必须提高系统对卷绕恒定张力的控制。
参考文献 ：
[1] 陈新华主编.电工技术与可编程序控制器实践.北京机械工业出版社，2002
[2] 许世徐 可编程控制器原理应用网络 中国科技大学出版社 2008
[3] 宫淑贞 可编程控制器原理及应用 人民邮电出版社 2006
[4] 王仁祥 常用低压电器原理及其控制技术 机械工业出版社 2010
作者简介：康松振：1982年04月26日，助理电气工程师，研究方向低压供配电设计
单位：河南东大泰隆冶金科技有限公司
关键词：中心卷绕 卷绕张力 变频器控制 卷径计算 称重传感器
前言：卷绕过程中接触面的摩擦力不是固定的，当电机转速恒定时滚筒的线速度不可能完全相同，尤其是主动卷辊表面光滑或操作初期，由于滚筒的摩擦较小，驱动时产生相对较小的滑动，张力不易控制，所以会有滚筒轴芯线圈不实，随着滚筒直径的增加，同时重量也开始增加，滚筒和驱动滚筒间产生了更大的摩擦，卷绕张力增加，如果速度调节不合适，由于表面的不规则性将挤压卷芯，造成卷材挤出或端面不齐整。要让卷绕装置获得均匀的卷绕张力，要经常对滚筒增加配重，用以调节气动或液压式滚筒轴上施加垂直向下的力，以保证表面摩擦辊缠绕过程中，张力稳定的要求，使材料的密度、硬度和缠绕效果达到最好。
1.卷绕方式和卷径
纺织机械专用变频器卷绕张力的控制主要是张力闭环控制和间接张力控制两种。张力闭环控制方案应用于精度要求较高的张力控制，张力传感器检测缠绕张力，转换器反馈信号，通过交流伺服驱动和变频器构成一个闭环张力控制系统。间接张力控制方案没有张力传感器，通过专用交流伺服驱动器，根据所需转矩间接地控制纱线或织物的表面张力。该方案具有低成本、易于掌握张力的控制精度。
由于表面摩擦决定卷材的繞效果，卷筒和驱动辊必须有足够的摩擦力，驱动辊需要注意橡胶或草皮的保养更新。但对某些织物表面摩擦太大就会损坏织物或产生静电，所以中心卷绕有其应用的必要性。卷径计算一般有两种方式，第一种方法是通过PLC进行卷径计算。检测出速度输入PLC的绕线电机，由PLC进行卷径计算后再由变频器输出结果，控制绕组轴或滚轮的速度。第二种方法：利用变频器的卷径计算功能，由内部完成卷径计算（多数采用折是更高速的DSP芯片和相关软件），调节卷绕张力就以变频器计算的直径为标准。国内外公司都推出了专有卷绕变频器产品，如西门子公司，ABB和艾默生公司。
2.中心卷绕张力控制系统
中心卷绕驱动组的电机驱动卷绕轴由变频器控制，保证卷绕张力的控制达到最佳效果。传感器检测的结果回到PLC模拟量输入端，输出信号的检测准确可靠，输出速度信号与张力检测信号叠加输入另一变频器进行PID调节，从而实现卷绕组闭环控制。中心卷绕张力控制包括恒张力控制和张力锥度控制两个方面，恒张力控制中的锥度张力控制是一个特殊的情况。恒张力卷绕卷筒的直径一直变化，必须保证速度和轧辊直径成反比，电机的转矩和螺旋线圈的直径成正比，从而使卷材达到紧凑、均匀的效果。这种方式应注意卷绕结束时扭矩将达到最大，根据减速器齿轮选择电机的额定转矩。缠绕过程中卷筒直径发生改变，支撑轴和驱动轴的摩擦扭矩和速度在过渡中也发生改变，这些变化将导致织物表面恒定张力的波动，电动机输出电磁转矩时，需要克服摩擦力矩的机械惯量，在卷绕过程中对转矩进行动态补偿、静态补偿和加速补偿，确保变频器控制电机的转速和转矩可以自动适应这种变化。
中心卷绕轴系统：电动机，减速器驱动绕组带（卷绕轴可逆控制）；
弹性框架（张力）位置检测系统：电位器检测浮动辊的位置，所施加负载上的浮辊张力控制；速度测量系统：塑胶靠轮等。
例：93EV的中心卷绕控制
卷径变化范围较大的工况，如超过1：10； 带松紧架（Dancer Roll）的速度控制方式下的带状材料中心卷绕（收卷或放卷）控制；用负荷传感器控制张力的情况，需要细致调整调节器，减小速度波动；以收卷为例加以说明，示意图如下：
93EV内部信号处理流程图如下：
实现过程：X9信号接受主机线速度信号，AIN1接受张力实际信号。
信号具体变化过程如下：初始卷径与输入线速度产生初始卷绕速度------卷径增大，张力辊上移------PID调节器产生相反的调节量------卷绕速度降低，产生新的计算卷径，循环往复。由此保证恒定线速度收/放卷。
3.称重传感器在带料的卷绕控制的应用
卷绕控制是许多工业生产中最常见的问题。在纺织品，塑料薄膜和丝带等产品生产过程中恒张力的控制对产品的质量有着重要的影响。检测扭矩可以选择不同调控元件的组合，还要有不同的张力控制方案，用称重传感器直接测量张力最容易控制。称重传感器的张力释放可以采用磁粉制动器和磁粉离合器调节输出转矩，再用调试好的单片机系统配合使用，对张力的测试可以达到很高的精度。
系统选用应变式双孔平行梁称重传感器，输出灵敏度高，在额定负载条件下选择了称重传感器。该传感器的技术相对成熟，并已得到广泛应用。磁粉制动器是一种新型的转矩控制元件，在额定的转矩范围内，转矩和励磁电流是成正比的，可以被视为一种线性控制元件。磁粉制动器加载装置的制动控制系统广泛应用于各种工况环境中。
该系统是由单片机控制的闭环系统，直接通过张力传感器的反馈对张力进行调整。单片机通过反馈量和供应链的综合运算，其结果是降低了转换器的输出电压，驱动输出电压和磁粉制动器的励磁电流都有下降的趋势，磁粉制动器力矩变小，从而实现恒张力控制。通过控制磁粉离合器输入轴和输出轴之间的滑差来实现恒定张力，与磁粉制动器的工作原理是基本相同的。对要求恒张力的生产线来说，称重传感器系统的反馈式调节恒张力的控制性能优于其他间接反馈，该系统实用，可靠，成本低，结构简单，易于安装和使用。
锥度张力控制原理是在卷绕过程中由锥度张力控制转矩，直径逐渐增大，缠绕角速度减小，张力逐渐降低，实现了外层放松的效果。锥度张力控制模式本质上是驱动转矩控制模式，改变驱动卷绕速度常数，转矩模式可以满足这一要求。在转矩控制模式中，根据给定的扭矩和线圈的直径设置液压张力，并可以计算出变频器的扭矩值，如果扭矩小于给定值或速度有一定的浮动，卷绕速度、转矩和转速也相应的在一个给定的范围内浮动。由于卷绕锥度张力通过电机的转矩控制，早期阶段物料松散，张力小，卷绕电机阻扭矩几乎为零，电机在转矩控制模式的速度远高于理想速度，受到速度和卷筒直径的影响，此刻材料不可避免的会出现断裂。因此，在初始阶段的速度控制很重要，电机的速度可以逐渐稳定最终达到输出转矩的理想值。电机的速度控制模式运行速度比理想的值稍快，对材料逐渐收紧的影响不是立竿见影，材料绷紧后，由于力矩限制器缠绕机将无法达到给定的速度，速度控制达到饱和，力矩相当于实际的电机转矩，锥度张力控制转矩比较稳定，所以这种情况下卷轴也不会损坏。
4.结束语
中心卷绕恒定张力的控制系统以实现卷绕张力的稳定控制，张力闭环控制系统的动态性能、PLC控制和变频系统及称重传感器对这一生产过程中张力进行控制，调节静态、动态摩擦补偿和机械惯性增强自动应变能力；根据直径和线速度传感器的设定值计算电流，控制电机的速度，从而得到基本恒定的张力，产品质量的关键就是对缠绕张力的控制。卷绕张力过大可以使织物拉伸变形或断裂；张力过小会出现松弛，拉伸失稳将导致卷筒不一致，端面不平等问题。因此，为了获得良好的质量，必须提高系统对卷绕恒定张力的控制。
参考文献 ：
[1] 陈新华主编.电工技术与可编程序控制器实践.北京机械工业出版社，2002
[2] 许世徐 可编程控制器原理应用网络 中国科技大学出版社 2008
[3] 宫淑贞 可编程控制器原理及应用 人民邮电出版社 2006
[4] 王仁祥 常用低压电器原理及其控制技术 机械工业出版社 2010
作者简介：康松振：1982年04月26日，助理电气工程师，研究方向低压供配电设计
单位：河南东大泰隆冶金科技有限公司