摘要：为提高造纸机运行的稳定性。防止纸幅断裂现象，从分析纸幅张力检测的原理及方法出发，设计了基于SIMATICS7—400PLC的造纸机张力控制系统。详细介绍了该控制系统的结构、硬件配置及其控制功能的软件实现。将该控制系统应用于造纸机压光部的实践证明，该系统采用的速度控制+张力控制方式调节各传动点之间的速度链关系及纸幅张力，较好地实现了纸机张力控制功能，取得了满意的控制效果。
在纸机的生产线上，为防止纸幅断裂现象，需要保持纸幅张力的稳定，所以要对纸幅的张力进行控制。纸幅张力控制分为直接张力控制和间接张力控制，在大型、高速纸机中通常采用直接张力控制：即在各传动部分的导纸辊上安装纸幅张力
传感器用于检测纸幅张力，再通过
可编程控制器对纸幅张力进行控制，从而保持纸幅张力的稳定。
1、纸幅张力检测原理
1.1纸幅张力检测分析
张力传感器由特殊的刚性材料制成，使用时，将其安装在纸幅导纸辊的支持轴承下方，它只对水平方向的张力起作用。其张力分析如图1所示。
图1纸幅张力分析图
设纸幅张力为F，纸幅张力与水平方向的夹角分别为a和卢，FT为导纸辊和轴承的重力，Fv，FL分别表示竖直和水平方向的力，于是可得：
FL=F(cosα--cosβ)
Fv=F(sinβ—sinα)+FT
根据传感器的值F。就可以计算出纸幅的张力F。
1.2张力传感器工作原理
以ABB公司的Loadcell为例介绍张力传感器工作原理。该张力传感器的结构及工作原理如图2所示。
图2张力传感器结构及工作原理
张力传感器的初级线圈和次级线圈正确通过传感器的4个孔(其中初级线圈为激励线圈，次级线圈为感应线圈)。在正常情况下(即无水平张力)初级线圈的感应磁场如图2a所示，由于孔的合理放置，次级线圈无感应电压产生。
当水平张力F作用在传感器上时，机械压力就会导致磁场属性发生变化，即初级线圈的磁场发生变化，从而就会在次级线圈中产生相应的感生电动势，如图2b所示。感生电动势的大小及极性随张力F的变化而变化，所以，通过测量感生电动势的大小和极性就可测得张力的大小及方向。
2、直接张力控制的硬件设计
在大型纸机中，系统的控制性能必须达到很高的精度和稳定性才能保证纸机正常的运行生产，否则会对成品纸的质量造成较大影响。因此，要求纸机各传动分部的速度必须同步。在闭环反馈调节单点传动的基础上，采用速度控制+张力控制的方式调节各传动点之间的速度链关系及纸幅张力，从而保证速度同步。造纸机变频传动控制系统总体结构如图3所示。
图3控制系统结构图
本系统以SIEMENS公司的SIMATICS7-400PLC作为主控单元；张力传感器检测传动单元测量点数据送PLC扩展A/D模块，再送至PLC内；操作台选用SIMATICOP27彩色触摸屏，方便人工操作和实时数据监控；PLC与变频器通过PROFIBUS-DP现场总线完成通讯控制，变频器执行PLC动作，控制电机运行且进行反馈闭环控制；上位机与PLC通过RS232协议通讯，实时对现场设备进行远程控制和管理。
在整个控制网络中S7—400PLC是主站，与变频器及现场触摸屏采用PRoFlⅨ玲-DP总线实现高速通讯，完成整个纸机传动过程中的速度链、负荷分配、张力控制等功能。PLC还接受上位机优化控制指令，可根据纸张生产品种自动调节各分部速度以适应生产需求，同时PLC将各分部运行参数送往上位机，以便及时了解生产状况。
3、直接张力控制的软件设计
程序设计采用模块化结构，以子程序结构适时调用实现各种控制功能；程序采用循环扫描方式对速度链上的传动点进行处理，提高程序执行效率；程序设计通用性强，并具有保护功能；人机界面友好、方便操作。主程序流程如图4所示。
图4主程序流程图
主程序通过PLC端口程序扫描各传动点加、减、紧状态，看是否需要进行负荷分配控制，再对张力控制信号进行分析，确定是否需要张力控制。张力控制信号是通过张力传感器检测传动单元测量点所得到的模拟电流信号，经A／D转换模块写入PLC主控单元，从而进行张力子程序控制。
张力子程序控制流程如图5所示。在张力控制子程序中，张力实际值和张力设定值都换算为百分比的形式，根据控制经验值，其超调范围一般可设定为5％。PLC每个程序周期采样张力寄存器单元的数值，将实际值与设定值进行比较，实际值超调将调用加减子程序，进行速比求和后，再调用速度链子程序，使各个传动点的速度趋于同步，从而达到控制纸幅张力恒定的目的。
图5张力控制子程序
4、直接张力控制的应用
根据纸机工艺要求，一般会在施胶部、压光部及卷纸部配置张力传感器进行张力控制。纸幅经烘缸后含水量很少，伸缩性很小，而且压光部要求纸幅平滑不抖动，以便顺利进行卷纸，其本身也是重型负载，所以压光部在高速状态下，微小的速度偏差就极易产生断纸。为此，以压光部作为控制对象，对其实现张力控制的应用情况进行介绍，压光机部分机械设计结构如图6所示。
图6压光机张力控制机械设计结构图
在纸幅进入压光机前的导纸辊上安装ABB公司的webtensionloadcell张力传感器，测量出纸幅张力并送PLC进行张力控制。压光机的变频控制采用速度控制+张力控制的复合方式，当纸幅还没有到达压光机时，只有传动控制中的速度链起作用，张力传感器此时不参与测量控制，当纸幅引入到压光机后，调节压光机速度使得纸幅张力接近设定张力的90％(经验值)，然后再投入张力控制，此时投入张力控制的好处是避免由于张力调节过大引起纸幅波动造成断纸。压光机张力是通过调用张力控制子程序进行调节的，可在程序中设置张力初始值(为纸幅zui大承受张力的百分比)，如果实际张力值偏大，PLC调节速度输出变小直至合适。同理，如果实际张力值偏小，可以调节速度输出变大直至合适。从而达到利用程序内整定控制压光机张力恒定的目的。
上述设计可较好地实现压光卷纸部分的速度+张力控制，但只适合于没有施胶部分的纸机传动系统张力控制。如果系统中既有施胶、又有压光机与卷纸机的张力控制，那么就应该组成干部张力链来对整个干部的张力进行协调均匀控制。这主要是因为张力调节是相互影响的，即施胶的张力调节会影响压光与卷取部分的张力控制，反过来压光与卷取部分纸幅的张力会逐渐传递到施胶部，对施胶部的张力产生影响。干部张力链控制主要在软件编程中实现：在施胶、压光和卷纸等分部的张力控制PLC调节区中专门开辟出一些存储张力比的存储区，这些存储区在系统张力调节平衡时记忆平衡态的各分部间张力比，在系统车速变化时可随时读出这些经验值做动态张力调节，减少由于各张力点独立调节时所引起的滞后，zui大限度地减少由于张力控制不协调而导致的断纸。
5、结论
根据纸机生产工艺要求，设计了基于SI-MATICS7—400PLC的纸机张力控制软、硬件系统。采用速度控制兼张力控制的方式调节各传动点之间的速度链关系及纸幅张力，较好地实现了中、高速大型造纸机变频传动控制系统中的张力控制，从而满足了系统高精度、高稳定性和高可靠性的性能要求。目前，该控制系统已在多家大型造纸企业生产线上得以应用，运行效果良好。
