臺達VE變頻器在吹膜機收卷上張力控制應用

　　基本介紹
　　目前部分吹膜機收卷機構的張力控制是使用力矩電機來實現的，這種形式控制不穩定，時間長了會變，需要重新調整，特別是大型的收卷機構變動更大，不能實現自動調節。我們推薦VE系列變頻器配合張力傳感器，來滿足自動調節收卷張力的要求。本文主要介紹吹膜機收卷機構特性，以及臺達VE系列變頻器如何在吹膜機收卷機構上實現張力控制。
　　設備介紹
　　一、收卷機構原理：
　　1、張力檢測輥
　　此輥是控制薄膜收卷時提供合理的張力反饋的主要部件，薄膜的張力通過張力輥兩端軸承下方的壓力傳感器進行檢測，檢測的信號通過轉換變成4～20mA的仿真量信號，VE系列變頻器通過ACI端子接收該信號，利用自身的PID功能調節控制收卷電機的轉速，以保證適當的收卷張力。
　　2、展平輥
　　使薄膜展平，消除薄膜在拉伸應力作用下產生的一些縱向皺紋。
　　3、壓緊輥
　　在收卷機構的前面裝有一個可以改變位置的跟蹤輥，其主要作用是將薄膜壓靠在收卷軸芯上，以一定壓力接觸收卷，使薄膜迅速地平整轉到收卷軸芯上，實現平整收卷的目的，以及借助跟壓緊輥對收卷料施加一定的壓力，及時排除收卷時膜層間的空氣，使收卷料緊密。
　　4、分切機構
　　吹出的薄膜若不是制作成塑料袋，就會分切成兩組薄膜再收卷。
　　5、收卷輥
　　收卷輥由VE系列變頻器驅動電機來傳動，收卷速度的控制系統與前端的拉伸機構的驅動系統連接，與吹膜出料的拉伸機構線速度同步，利用張力檢測輥的張力信號反饋到變頻器，實現PID調節控制收卷張力。
　　二、控制薄膜的張力對收卷質量的影響
　　為了牽引薄膜，并將其卷到收卷芯上，必須給薄膜施加一定拉伸使其張緊的牽引力，其中張緊薄膜的力即為張力。通常由于薄膜的材料厚度、寬度及性能不同，選用的收卷方式也有不同，張力的大小也需要調整。
　　收卷張力的大小直接影響產品收卷的質量及效率。張力過大，收卷過緊，薄膜容易產生皺紋甚至拉斷；張力不足，帶入膜層的空氣量過多，收卷料薄膜的密度小，薄膜容易在里面產生軸向滑移及嚴重的錯位，以致造成卷邊不齊。分切時放卷軸若產生大幅度擺動，會影響分切薄膜的質量。所以收卷機構必須具有良好的張力控制系統。
　　三、收卷輥的控制系統原理
　　使用VFD-VE可以使用兩種方式實現張力恒定，一種是速度模式+張力死循環，另一種是力矩模式+張力開環。力矩模式+張力開環優點是不需要張力檢測信號，缺點是效果會受限于力矩控制精度，在要求較高場合比較建議使用速度模式張力死循環。
　　本案例收卷輥的控制是速度模式下，以牽引輥速度作前饋并以張力回授作輔助，通過控制主牽引與收卷的速度差相對恒定實現張力恒定控制。但薄膜收卷時，收料卷直徑D會增大，如果收卷輥的轉速n不變，根據V=π*D*n，收卷線速度V會增大，所以要維持速度差恒定而控制張力恒定，收卷輥的收卷轉速n必須隨著收料卷的直徑增大而減小，否則會引起收卷張力的遞增，造成膜卷的內松外緊，外層薄膜把內層薄膜壓皺，影響收卷質量。
　　收卷輥的控制方案：張力傳感器直接檢測張力，VE變頻器實施PID張力調節控制。
　　張力傳感器安裝在張力檢測輥的軸承下面，將檢測到的薄膜張力轉換成仿真量信號，送到VE變頻器中，使之與原設定的張力信號比較后，進行PID計算，然后將得出的所需要的輸出頻率送到收卷電機，達到控制收卷輥轉速，以及滿足張力控制的要求。這種方案的優點是控制精度高，動態性能好，適用范圍廣。
　　1、系統配置：

　　2、控制原理圖：

　　應用規劃及效果
　　1、控制方式選擇：
　　牽引段：V/F控制+編碼器 (Encoder)(VFPG)，目的是保證與吹膜出料端保持一定的穩定拉伸速度；
　　收卷段：FOC向量控制+編碼器 (Encoder)(FOCPG), 目的是保證電機轉速恒定以實現精準張力控制。隨著收卷直徑變大，自動調整收卷時的力矩，達到穩定收卷時的拉伸力。
　　應用客戶為廣東中山某塑料機械廠的大型吹膜機，該設備高約15米，較大吹膜寬度2.5米，可以吹出三層材料的塑料膜，收料機用了2臺3.7KW的VE型變頻器做收卷張力控制。
　　2、試機效果：
　　靜態時，若PID目標值設定7.00kg，PID回授基本能穩定在6.9～7.2kg之間；
　　動態時，若牽引軸設定10Hz,收卷軸PID目標值設定7.00kg，PID回授基本能穩定約在7.0～7.4kg之間波動，收卷軸輸出頻率約在20～21Hz之間波動；
　　若牽引軸設定20Hz,收卷軸PID目標值設定7.00kg，PID回授基本能穩定約在7.1～7.6之間波動，收卷軸輸出頻率約在40～48Hz之間波動。
　　總之：
　　1、薄膜收卷的質量主要受薄膜收卷張力的影響，因此收卷輥的張力控制系統是該設備的一個關鍵所在；
　　2、薄膜的收卷質量還受其它因素的影響，如薄膜的材料、溫度、性質（如彈塑性）以及薄膜厚度的均勻性等等的影響，因此，設定的收卷張力必須與薄膜的這些特性相適應；
　　3、薄膜收卷時的張力衰減及張力補償也是影響收卷質量的重要因素；
　　4、為了保證張力檢測的準確性，建議在使用前，收卷機構的張力檢測輥必須在高于較大生產速度125倍的速度下，進行動平衡處理，減少轉動過程中產生張力檢測的波動，影響變頻器的PID運算和控制；
　　5、目前該張力系統當牽引軸輸送速度較高時，有點超調，但收卷效果能滿足要求，同時客戶也不希望收卷張力低于目標值；
　　6、經過連續3天的試機生產，收卷效果顯著滿足客戶要求。