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基于PLC的整经机恒张力控制系统设计

杜宇;王琛;杨涛;张斌

【摘要】设计了基于PLC(可编程控制器)的双伺服整经机恒张力控制系统,采用伺

服控制系统,以PLC为控制核心,张力传感器为检测元件,伺服驱动器、伺服电动机

为执行元件.设计了启动/停止、PID张力调节,张力过大、过小保护等主要控制程序,

建立了人机界面触摸屏.采用双伺服电动机对收放卷轴的转速进行调节,PLC实时进

行目标张力与实际反馈张力的比较,通过目标张力和实际反馈张力的差值,控制伺服

电动机的速度,形成恒定的整经张力,通过伺服闭环控制系统保证整经过程的恒张力

控制.

【期刊名称】《毛纺科技》

【年(卷),期】2016(044)006

【总页数】4页(P58-61)

【关键词】整经机;张力控制;PID;伺服系统

【作者】杜宇;王琛;杨涛;张斌

【作者单位】天津市现代机电装备技术重点实验室,天津300387;天津工业大学机

械工程学院,天津300387;天津工业大学机械工程学院,天津300387;天津市现代机

电装备技术重点实验室,天津300387;天津工业大学机械工程学院,天津300387;天

津工业大学机械工程学院,天津300387

【正文语种】中文

【中图分类】TS103.322

整经是织造前的一道重要工艺，是将一定数量的经纱按照工艺规定的长度和幅宽，

以均匀、适宜的张力平行卷绕到经轴上的过程[1-3]，整经机分为分批整经和分条

整经[4]。张力过大或者过小都会影响整经产品的质量，进而影响后一步工序的进

行[5]。因此，在放卷绕过程中，保持张力恒定是控制的关键。

张力控制系统主要是运用电子齿轮对线卷绕过程中的张力进行控制，以保持整经张

力的恒定。张力控制系统有很多，袁佑新等[6]采用直流电动机作为执行元件，在

保持纱线速度和其他变量不变的情况下，通过调节电动机的励磁电流来控制张力的

整体恒定；李核心等[7]采用直接闭环张力控制系统，将传感检测到的张力信号与

人为给定的张力信号进行比较后，通过调制器产生的脉宽调制信号来控制伺服电动

机的转速，进而来维持纱线速度差的恒定，从而实现恒定的张力控制；李正熙等[8]

介绍了一种间接的张力控制系统，输入到单片机的量是直接检测到的纱线角速度和

线速度，通过相应的算法计算出卷径和张力补偿电流，再通过常规模拟调节器来实

现电流和磁通量控制。本文以PLC(可编程控制器)为控制核心，将速度和张力传感

器采集来的信号进行处理，通过与最初设定的张力值进行对比，按照一定的PID

控制策略对数据进行处理，实时调整反馈控制信号，通过调整交流伺服电动机的转

速来保持整经张力的恒定控制。

张力控制系统是一种输入量按照某种特定并可实时调节的规律而发生变化的特殊随

动系统。张力的控制实质上是整个卷绕系统的核心，要实现较好的恒张力控制，建

立一个张力数学模型是十分必要的。通常，假设纱线在传动辊上传动时不发生滑动

摩擦，只有黏滞摩擦，纱线的线速度与传动辊的线速度相等。考虑到2个连续的

传动辊，从前一个传动辊的第一接触点到后一个传动辊的第一接触点之外的张力分

布，整经张力模型见图1。

由胡克定律可知，纱线上的张力T为：

式中：σ为纱线横截面积；ε为杨氏弹性模量；L为传动2点之间的距离；V1为放

卷轮1线速度；V2为放卷轮2线速度；t为纱线传送时间，t=L/V1。

由此可见，纱线作为张力调节对象时，是一个积分环节。在整经开启过程中，应控

制V2V1，以使纱线产生一定的张力，当纱线达到所要求的适当张力后，应该及

时调整动力执行机构使V2达到稳定，这样，纱线就会在此张力下稳定运行[9]。

张力控制系统主要以PLC为控制核心，配以伺服驱动系统的外围设备电路来实现，

控制对象为2个伺服电动机，整个控制系统包括一个闭环控制系统和一个开环控

制系统。整经机张力的控制实际上是纱线速度的控制，纱线速度的检测是由伺服电

动机的旋转编码器来完成的，编码器的信号传送到PLC的微处理器单元CPU，

CPU可以根据纱线每圈卷绕的半径增量与旋转编码器的计算值计算出整经的线速

度，CPU输出经过D/A转换，控制伺服驱动器，控制伺服电动机，再经过减速器

装置控制辊筒的卷绕线速度。控制系统的结构图见图2。

对于放卷电动机1采用直接的开环控制方式，通过触摸屏得到电动机的速度设定

值，传输到PLC后经过换算，转化成电动机的脉冲频率，然后把频率值输入到伺

服驱动器1，让放卷电动机1在固定的频率下转动。在开机阶段要实