张力控制系统:张力传感器和控制器的系统集成-中文百科频道

工作原理

包括机器的加速、减速和匀速。若张力不足，则原料形变过度；若张力过大，原料又易被拉断。

一套典型的张力控制系统主要由张力控制器，张力读出器，张力检测器，制动器和离合器构成。根据环路可分为开环，闭环或自由环张力控制系统；根据对不同卷材的监测方式又可分为超声波式，浮辊式，跟踪臂式等，下图为一个典型的闭环张力控制系统。

人工控制

MAGPOWR <1ll人工张力控制系统是适合于收卷，点到点和一些特定的放卷应用场合使用的低成本解决方案.

我们的手动电源供应器可以让f~ 淌除剩磁，15可以通过莫独特的皮向电流性能而用到制动器或离合器的完整的功率范围。该系统最适合应用于:

( 1 )需要自然锥角的收卷场合

( 2 )卷装成形保持不变的点到点应用场合

( 3 )从满卷到卷芯的放卷过程中允许有少量张力变化的场合

人工电源供给采用电流调节方式，当离合器或制动器从环境温度变化到工作温度时，莫输出仍保持不变。

可选用带有调节器的90VDC 和24VDC 电压供给，额定电流可以调节，还可匹配磁粉制动器满足榕的应用需求。

可选安装方式DIN 标准导轨(C E) .撞墙式安装，印刷电路板。

控制方式

1、手动控制，在收料、放料或过程中不断调整离合器或制动器的扭矩，从而获得所需的张力，这就要求用户必须随时检查被控材料的张力，随时调节输出力矩，若用气动制动器或离合器时，手动控制器可直接选用精密调压阀，可使用户节约一定的设备成本，但仅适用于一些低速的复合机、挤出机、纺织机械等张力控制要求不高的场合。

2、半自动方式：利用超声波原理等自动检出卷径，从而调整卷料张力，例如：美国Montalvo（蒙特福）公司U3500型超声波张力控制器，从本质上来讲是一种张力的半闭环控制，不仅可以自动测出卷经、控制扭矩输出，同时还具有缓冲启动、防松卷和惯性补偿等功能。该方案的实施成本较低，因此在中档机械中应用广泛。

3、全自动方式：一般也有两种检测方式。一种是通过张力传感器测定卷材的张力，然后由控制器自动调整离合器或制动器来控制卷料张力。这种方式是张力的全闭环控制，原理上来讲，此种方案能够实时反映出张力的变化因此控制精度最高，因此一些高档的精轧机、高速分切机等冶金上采用全自动的张力控制系统。

分类

张力控制法一般可分为直接张力控制法和间接张力控制法这两种。

（1）直接张力控制法：又称反馈控，又可以分为AB两种（A）利用如张力仪等传感器检测实际张力，将测量值作为反馈信号，构成张力闭环系统，即将测量的实际值与给定张力相比较，由偏差产生控制作用，使实际张力与给定张力相等。视传感器结构不同，还可分为位置式和反馈式控制（B）利用活套建立张力，测量活套量，构成活套反馈控制系统，控制活套量恒定使产品张力恒定。这种张力控制法适用于高精度、高速度的张力控制场合，具有控制精度高、实时性能好等优点。

（2）间接张力控制法：又称补偿控制，它通过对影响张力稳定的参数的调节补偿可能出现的张力变化，间接地保持张力稳定，即只给定张力设定值，不用检测器采集张力的实际值，对张力不形成闭环控制，而是通过对被控机即驱动电机的电流或励磁电流的控制来间接对张力进行恒定控制，从而使电动机力矩保持不变，保证被卷取产品的张力恒定。

重要作用

在工业生产的诸多行业，经常会遇到卷绕控制问题。如在纸张、纺织品、塑料薄膜、电线、印刷品、磁带、金属带线材等的生产过程中，带料或线材的开卷、卷取张力对产品的质量至关重要，为此要求进行恒张力控制，即在卷绕的过程中使产品承受最佳张力，且自始至终保持不变。若张力过大，会造成加工材料的拉伸变形；张力过小，会使卷取的材料的层与层之间的应力变形，造成收卷不整齐，影响加工质量。在带材卷取系统中，张力控制系统占有重要的位置，而且它相当复杂。

举例

开环跟踪臂：

这些安装简单的系统可以基于卷筒直径的变化实现

张力控制。

可选的控制输出范围:O - lOVDC. 4-20 mADC. 90VDC

可选安装方式: DIN 标准导轨(C E) .印刷电路板

开环超声波：

该系统设计简单、精确，易于安装。张力控制可墓

于变化的锦简直径，不会和卷材有任何物理接触.

同样支持在收卷时调整梯度张力

当装卷快满时，可输出直径的倒数来使电机减速以减少离

合器的；青移发热量

可控输出: 0 - 10VDC f 4 阳20mAD f - 10 - 10VDC f

90VDC , 24VDC

可选安装万式：挂墙式安装(CE) ， DIN 标准稽体安装(CE)

自由环超声波张力控制：

该系统使用简单，是控制速度的低成本解决万案，

适用于靠卷材的自重就可以提供足够张力应用场台。

适用于靠材料的自重就可以提供足够张力的应用场合

最适用于开机/停机或者放卷卷筒不圆的场合使用

通过缰)申环位置反馈来提供控制

可选安装方式：箱体安装(CE) ，符合DIN 标准的嵌入面板

式安装(C E)

可选输出: O~10 VDC I 4~20 mADC I -10~10 VDC

闭环张力控制：

该系统是适用于启动/停车或者放卷的卷装不圆时保

持张力恒走的最理想选择。

当卷装满卷时，可输出亘径的倒数来使电机减速以控制收

卷速度，减少离合器；需移损耗热量(当VERSATEC ™ 张力

控制器和US - 2 超声波感应器共同选用时)

可控输出:0 - 10VDC , 4 - 20mAD , -10 - 10VDC I

90VDC , 24VDC

可选安装方式：撞墙式安装( CE ), DIN 标准箱体安装

张力控制

(CE) ， DIN 标准导轨安装(CE) ，印刷电路板

张力控制系统扩展

张力控制系统MAGPOWR（美塞斯MC026/400/830/1898）是指能够持久地控制原料在设备上输送时的张力的能力。包括机器的加速、减速和匀速。即使在紧急停车情况下，也应有能力保证被分切物不破损。张力控制的稳定与否直接关系到分切产品的质量。若张力不足，原料在运行中产生漂移，会出现分切复卷后成品纸起皱现象;若张力过大，原料又易被拉断，使分切复卷后成品纸断头增多。

应注意问题

1.安装时注意事项

a. 要十分注意避免安装中所产生的安装偏差

（1）上紧压盖应在联轴器找正后进行，螺栓应均匀上支，防止压盖端面偏斜，用塞尺检查各点，其误差不大于0.05毫米。

（2）检查压盖与轴或轴套外径的配合间隙（即同心度），四周要均匀，用塞尺检查各点允差不大于0.01毫米。

b. 弹簧压缩量要按规定进行，不允许有过大或过小现象，要求误差2.00毫米。过大会增加端面比压，另速端面磨损。过小会造成比压不足而不能起到密封作用。

c. 动环安装后髯保证能在轴上灵活移动，将动环压向弹簧后应能自动弹回来。

2.拆卸时注意事项

a. 在拆卸机械密封时要仔细，严禁动用手锤和扁铲，以免损坏密封元件。可做一对钢丝勾子，在对自负盈亏方向伸入传动座缺口处，将密封装置拉出。如果结垢拆卸不下时，应清洗干净后再进行拆卸。

b. 如果在泵两端都用机械密封时，在装配，拆卸过程中互相照顾，防止顾此失彼。

c. 对运行过的机械密封，凡有压盖松动使密封发生移动的情况，则动静环零件必须更换，不应重新上紧继续使用。因为在之样楹动后，摩擦副原来运转轨迹会发生变动，接触面的密封性就很容易遭到破坏。

原则和要求

1.为保证机械设备经常处于良好的技术状态，随时可以投入运行，减少故障停机日，提高机械完好率、利用率，减少机械磨损，延长机械使用寿命，降低机械运行和维修成本确保安全生产，必须强化对机械设备的维护保养工作

2.机械保养必须贯彻“养修并重，预防为主”的原则，做到定期保养、强制进行，正确处理使用、保养和修理的关系，不允许只用不养，只修不养

3.各班组必须按机械保养规程、保养类别做好各类机械的保养工作，不得无故拖延，特殊情况需经分管专工批准后方可延期保养，但一般不得超过规定保养间隔期的一半

4.保养机械要保证质量，按规定项目和要求逐项进行，不得漏保或不保。保养项目、保养质量和保养中发现的问题应作好记录，报本部门专工

5.保养人员和保养部门应做到“三检一交（自检、互检、专职检查和一次交接合格）”，不断总结保养经验，提高保养质量

6.资产管理部定期监督、检查各单位机械保养情况，定期或不定期抽查保养质量，并进行奖优罚劣。

应知技术知识

检查和分析

（1）了解故障发生的经过情况，了解故障前的工作情况及故障后的症状。

（2）认真分析故障产生的原因或范围，找到故障的原因或分析故障的范围。

（3）进行外表检查，主要检查熔断器、继电器、接触器和行程开关等的固定螺钉和接线螺钉是否松动？有无断线的地方？有没有钱圈烧坏或触点熔焊等现象？电器的活动机构是否灵活？等等。对明显的故障及时排除。

（4）断电检查，主要是查找隐含的故障。一般用万用表的电阻档检查故障区域的元件及电路是否有开路、短路或接地现象。有时还可借助摇表及其他装置进行检查。断电检查如找不到故障原因，则可以进行通电检查。

(5)通电检查，主要是查找不易发现的故障。通电检查应在不带负载下进行，以免发生事故

检测方法

机床电气故障常采用的检测方法主要有电压法、电阻法、短路法、开路法和电流法等等。

（1）电压法

利用仪表测量线路上某点的电压值来判断确定机床电气故障点的范围或元器件故障的方法叫电压法或电压测量法。

（2）电阻法

利用仪表测量线路上某点或某个元器件的通断来确定故障点的方法叫电阻法。

（3）短路法

将所怀疑发生故障的某级电路或元器件暂时短接，观察故障状态有无变化来断定故障部位的方法。短路法用于检查多级电路时，短路某素服，故障消失或明显减小，说明故障在短路点之前，故障无变化则在短路点之后。如某级输出端电位不正常，将该级的输入端短路，如此时输出端电位正常，则该级电路正常。短路法也常用来检查元器件是否正常，如用镊子将晶体三级管基极和发射极短路，观察集电极电压变化情况，判断管子有无放大作用。在TTL数字集成电路中，用短路法判断门电路、触发器是否能够正常工作。将可控硅控制极和阴极短路判断可控硅是否失效等。另外也可将某些仪表（如电子电位差计）输入端短路，看仪表指示变化来判断仪表是否受到干扰。

（4）开路法

在检修机床电路中，有时为了检测特殊需要，必须将电路断开进行检查，这种方法叫做开路法。

（5）电流法

用测量通过某线路上的电流是否正常的方法来确定故障点的方法叫电流法。

故障的类型

以车床为例，典型机床常见故障的类型有：

（1）漏电自动开关合不上；

（2）三台电动机均不能起动；（3）主轴电动机不能起动；

（4）按下主轴电动机起动按钮SBl，电动机发出嗡嗡声，不能起动；

（5）主轴电动机起动后，松开起动按钮，电动机停止；

（6）按下停止按钮，主轴电动机M1不停止；

（7）冷却泵电动机M2不能起动；

（8）快移电动机不能起动；

（9）照明灯不亮；

（10）指示灯不亮。等等。

准备工作

1）技术资料准备

技术资料是调试与维修工作的指南，它在调试与维修工作中起着至关重要的作用，借助于技术资料可以大大提高调试与维修工作的效率。常用的技术资料有：

①设备的控制要求汇总表；

②设备电气与PLC控制原理图；

③设备电气与PLC接线图；

④设备电气元件与PLC布置图；

⑤PLC使用手册、编程手册

⑥设备PLC程序清单(初稿)；　⑦PLC特殊功能模块、专用控制装置(如变频器、驱动器等)的使用说明书等。

但是，设备到达生产现场(用户)后，PLC控制系统的调试工作有可能不是由设计者本人承担，因此，调试人员需要有对设备、生产现场的控制要求、系统设计思想的了解与熟悉过程，为此，现场调试人员应在以上资料的基础上增加以下资料：

①设备的操作手册(包括设备的控制要求与动作过程)；

②设备主要部件的结构原理示意图；

③设备液压、气动、润滑系统图；

④设备最终的PLC程序清单等。

（2）调试与维修工具准备

合格的调试、维修工具是进行PLC系统调试与维修的基本条件．PLC控制系统常用的调试与维修工具主要有以下几种：

1)数字万用表；

2)PLC编程器；

3）示波器

简介

在张力控制系统中，磁粉制动器由于其体积小、重量轻、激磁功率小且具有良好的控制特性，因而得到了广泛的应用。磁粉制动器转矩和激励电流的关系一般都称作为静特性。它是磁粉制动器主动端转速n恒定，从动端制动时，磁粉制动器的激励电流和输出转矩之间的关系。转矩电流特性曲线如下图所示。

张力控制系统

由上图可知，磁粉制动器的转矩曲线可以分为三个部分：非线性段、线性段和饱和段。磁粉制动器具有良好的恒转矩特性，并且磁粉制动器输出转矩与磁粉线圈激励电流优良的线性关系，只要线性调节激励电流，便能实现对现场张力的动态控制，并且磁粉制动器在转速很低的情况下性能也十分稳定。磁粉制动器在卷取张力控制系统的应用，如图4所示用磁粉制动器控制张力的方案较以往的控制系统具有结构简单、执行单元成本低、容易控制的特点，特别是实际张力的大小通过电流直接调节，改变了其他调节装置的手工操作过程，使得操作简单、准确。增加动态电流补偿环节有利于进一步提高产品质量。

控制方案介绍

对张力的控制有两个途径，一是可控制电机的输出转矩，二是控制电机转

速，对应这两个途径，MD330 设计了两种张力控制模式。

开环转矩控制模式

开环是指没有张力反馈信号，变频器仅靠控制输出频率或转矩即可达到控

制目的，与开环矢量或闭环矢量无关。转矩控制模式是指变频器控制的是电机

的转矩，而不是频率，输出频率是跟随材料的速度自动变化。

根据公式F=T/R（其中F 为材料张力，T 为收卷轴的扭矩，R 为收卷的半径），

可看出，如果能根据卷径的变化调整收卷轴的转矩，就可以控制材料上的张力，

这就是开环转矩模式控制张力的根据，其可行性还有一个原因是材料上的张力

只来源于收卷轴的转矩，收卷轴的转矩主要作用于材料上。

MD 系列变频器在闭环矢量（有速度传感器矢量控制）下可以准确地控制电

机输出转矩，使用这种控制模式，必须加装编码器（变频器要配PG 卡）。

与开环转矩模式

1）张力设定部分：用以设定张力，实际使用中张力的设定值应与所用材料、

卷曲成型的要求等实际情况相对应，需由使用者设定。张力锥度可以控制张力

随卷径增加而递减，用于改善收卷成型的效果。

2）卷径计算部分：用于计算或获得卷径信息，如果用线速度计算卷径需用

到线速度输入功能部分，如果用厚度累计计算卷径需用到厚度累计计算卷径相

关参数功能部分。

3）转矩补偿部分：电机的输出转矩在加减速时有一部分要用来克服收（放）

卷辊的转动惯量，变频器中关于惯量补偿部分可以通过适当的参数设置自动地

根据加减速速率进行转矩补偿，使系统在加减速过程中仍获得稳定的张力。摩

擦补偿可以克服系统阻力对张力产生的影响。

闭环速度控制模式

闭环是指需要张力（位置）检测反馈信号构成闭环调节，速度控制模式是

指变频器根据反馈信号调节输出频率，而达到控制目的，速度模式变频器可工

作在无速度传感器矢量控制、有速度传感器矢量控制和V/F 控制三种方式中的

任何一种。

该控制模式的原理是通过材料线速度与实际卷径计算一个匹配频率设定值

f1，再通过张力（位置）反馈信号进行PID 运算产生一个频率调整值f2，最终

频率输出为f=f1+f2。f1 可以基本使收（放）卷辊的线速度与材料线速度基本

匹配，然后f2 部分只需稍微调整即可满足控制需求，很好地解决了闭环控制中

响应快速性和控制稳定性地矛盾。

这种模式下，张力设定部分无效，在FA-00PID 给定源中设定系统控制的目

标值，控制的结果是使张力（位置）的反馈信号稳定在PID 的给定值上。特别

注意，在用位置信号（如张力摆杆、浮动辊）做反馈时，改变设定值（PID 给定）

不一定能够改变实际张力的大小，改变张力的大小需要更改机械上的配置如张

力摆杆或浮动辊的配重。

与闭环速度模式

1）PID 部分：主要在FA 组设定，FH 组中第二组PID 参数可以起到辅助作

用。在其他部分都设定无误后，最终的控制效果需要调整PID 参数。

2）线速度输入部分：这部分比较重要，有两个作用，一是通过线速度计算

变频器的匹配频率（见上面的描述），二是可通过线速度计算卷径。

3）卷径计算部分：计算实际卷径，变频器获取线速度和实际卷径后可以获

取变频器的匹配频率。当用线速度计算卷径时，若变频器算得的卷径与实际卷

径有偏差，说明线速度输入有偏差，通过卷径计算结果可以修正线速度输入。

注意一点的是用线速度和卷径计算的匹配频率值并非变频器的实际输出频率，

用线速度和运行频率计算卷径时用到的运行频率是变频器的实际输出频率，所

以逻辑上并不矛盾。

4）第二组PID 参数部分：当只用一组PID 参数无法满足全程的控制效果时，

可以利用第二组PID 参数，例如在小卷时调整第一组PID 参数获得较好效果，

满卷时调整第二组PID 参数获得较好效果，这样在全程就能都达到较好效果。

修改和问题

仔细核对原有的电器图纸，设计张力控制上是没有什么错误，关键问题出现在中心卷取机的中心卷取控制板上，此款中心卷取板是由台湾一家工控产品供货商提供的。它的主要控制方式是，对卷取机的变频驱动器输出电流大小进行比较，卷取功能是利用变频器的高性能失量转距控制方式，在卷径、卷大或卷小时进行衰减和增益，属于速度闭环的转距方法，这种控制器价格较低，可满足一般产品卷取要求；但无法达到高精度控制张力方式，（一般张力要求±5%，精确张力要求±0.5%）。

仿真

张力控制系统是一种输入量按某种可调节的衰减规律而变化的特殊的随动系统，因此在设计时，必须从轧制工艺角度入手，发现张力闭环控制时的对象模型参数随着不同的张力设定、板材截面积、材质，特别是轧制速度、压下率等因素的不同而变化，并且有时变化范围相当大 ,这样使用固定参数的张力调节器难以在全范围内满足张力控制精度。一旦提高轧制速度，张力不易稳定容易断带。这问题与很多因素有关，但总能认为它与张力控制系统的精度有着密切的关系。为此，采用张力调节器去适应实际工艺参数，能基本维持张力精度始终不变。张力控制依据工艺情况进行在线计算后得到对象模型，再去在线调整张力调节器参数

历史

早期的张力装置结构简单．不具有自动控制的功能所产生的附加张力是事先设定的一个不变的张力补偿值　它不会因纱线退绕张力的变化而变化，因此由退绕张力和附加张力两部分叠加后实际运行的络纱张力必然是　波动的．它会造成卷绕不匀和在下游工序退绕时纱线张力的波动。随着机电一体化技术的迅猛发展，在新一代自动络筒机上，普遍采用张力自动控制装置所产生的附加张力会随退绕张力的变化而反向变化进行张力补偿使络纱张力保持恒定。

机封正常运行

1. 启动前的准备工作及注意事项

a、全面检查机械密封，以及附属装置和管线安装是否齐全，是否符合技术要求。

b、机械密封启动前进行静压试验，检查机械密封是否有泄漏现象。若泄漏较多，应查清原因设法消除。如仍无效，则应拆卸检查并重新安装。一般静压试验压力用2~3公斤/平方厘米。

c、按泵旋向盘车，检查是否轻快均匀。如盘车吃力或不动时，则应检查装配尺寸是否错误，安装是否合理。

2.安装与停运

a、启动前应保持密封腔内充满液体。对于输送凝固的介质时，应用蒸气将密封腔加热使介质熔化。启动前必须盘车，以防止突然启动而造成软环碎裂。

b、对于利用泵外封油系统的机械密封，应先启动封油系统。停车后最后停止封油系统。

c、热油泵停运后不能马上停止封油腔及端面密封的冷却水，应待端面密封处油温降到80度以下时，才可以停止冷却水，以免损坏密封零件。

3.运转

a、泵启动后若有轻微泄漏现象，应观察一段时间。如连续运行4小时，泄漏量仍不减小，则应停泵检查。

b、泵的操作压力应平稳，压力波动不大于1公斤/平方厘米。

c、泵在运转中，应避免发生抽空现象，以免造成密封面干摩擦及密封破坏。

d、密封情况要经常检查。运转中，当其泄漏超过标准时，重质油不大于5滴/分，轻质油不大于10/分，如2-3日内仍无好转趋势，则应停泵栓查密封装置。

检修步骤

机床电气故障检修一般可分为以下几个步骤：

（1）准备工作

准备工作包括准备必须的工具、仪表、机床电路图和其他资料等

（2）读图

对于要检修的机床，首先必须读懂电路原理图。

（3）通过"一问、二看、三摸、四听、五操作"，弄清楚故障现象和故障发生前后的情况。

一问：向机床操作者询问了解故障发生的前后情况；故障是突然发生的还是经常发生的？有什么异常现象出现？有什么失常现象？等等。这样准确掌握初始的第一手资料，有利于判断故障发生的部位，迅速找出故障点。

二看：认真观察机床电器或线路的表面情况。

三听：启动机床，听电动机、控制变压器、接触器、继电器等是否有异常声和闭合声。

四摸：当机床运行一段时间后，切断电源，用手模有关电器的外壳或电磁线圈，检查是否有不正常的发热现象等。

五操作：从启机开始，对机床的所有功能进行一一操作演示，在一步一步的操作中仔细观察操作过程，从中查找发现机床的电气故障，以利于迅速准确无误地确定机床的电气故障范围。

（4）根据故障现象结合电路图分析故障大致范围

由以上"问、看、听、摸、操作"等过程基本弄清楚故障的现象后，这时即可结合电路图分析故障的大致范围，然后采用相应的检测方法，找出故障点。

系统组成

1、机械本体：机械本体包括机架、机械连接、机械传动等，它是机电一体化的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。与纯粹的机械产品相比，机电一体化系统的技术性能得到提高、功能得到增强，这就要求机械本体在机械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面能够与之相适应，具有高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观的特点。

2、检测传感部分：检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是检测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检查到的信息向执行器发出相应的控制。

3、电子控制单元：电子控制单元又称和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地进行。

4、执行器：执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。执行器是运动部件，通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。

5、动力源：动力源是机电一体化产品能量供应部分，其作用是按照系统控制要求向机械系统提供能量和动力使系统正常运行。提供能量的方式包括电能、气能和液压能，以电能为主。