第一章 绪 论
1.1 课题研究背景及意义
张力控制在我国诸多行业中，扮演着重要角色，极大程度上影响了我国国民经济的发展。在纺织行业，若是在出现张力过大的情况，就极有可能因纺织物网格过大，而影响到纺织物的使用时间；但如果张力不足，则会造成纺织物过于松散，影响纺织物使用效果[1]。在造纸行业，张力过大，就会出现纸张撕裂或者纸张过薄的情况；如果张力不足，造出来的纸张可能出现表面褶皱的情况[2]。在印刷行业，纸张收卷这道工序中，同样也存在张力的要求，要求在卷纸内紧外松，如果卷纸张力不足，就会出现纸张严重褶皱、重影等情况，有的时候还会导致纸张直接断裂[3]。在轧钢行业，钢铁轧制所导致的张力大小都会对钢铁钢板的厚度及外表形状产生影响[4]。在纤维、电线卷材的生产过程中，卷取作为最重要的工艺程序，对产品质量起着直接的影响。在过去，受到卷取技术的限制，造成成品次品率极高[5]。为了改进卷取技术，每个国家都投入了大量的财力、物力、人力，但因为人们缺乏直接的手段，来剖析卷取过程是怎么影响产品次品率、报废率的，当前人们改进卷取技术的最佳方式，都是通过对张力的控制来实现的[6]。 本论文通过对新型医用纸张回卷过程中纸带张力变化规律的研究，实现整个回卷过程张力恒定，研究出符合医疗医药生产要求，无污染，无排放的环保纸张回卷设备，适用于医疗医药生产的洁净车间。该设备主要功能将边缘参差不齐，或绕卷方向错误的医用纸卷或薄膜卷，进行重新回卷，使回卷后的纸卷边缘整齐，绕卷方向正确，以便纸卷或薄膜卷回收再利用。该设备全自动设计，具有先进的触摸屏操作，通过纸张边缘位置检测，实现自动纠偏，使回卷后的纸卷边缘整齐；同时，监控纸卷直径，以实现一系列自动功能，如自动缺料报警停机功能；设计要求所有运动部件都有光栅保护，确保操作人员的人身安全。
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1.2 回卷机及恒张力研究现状
现代工业中，特别是造纸、印刷、纺织等行业，类似回卷机的带材卷取设备已经玲琅满目，这些带材卷取设备的技术核心是张力控制，只要是卷状产品，都需要依靠一定的张力对其进行传送并在张力控制下对其进行卷取。在对卷材进行加工卷取的过程中，张力大小决定了卷材卷取质量[6,8]。 早期设备的张力控制系统主要采用模拟量控制，其中占主导地位的是电流电势复合的张力控制方法。因为在卷材的卷取过程中，卷材随着卷取工作的进行，直径不断的发展变化，电流电势复合张力控制要和电动机磁通弱磁倍数保持一致，因为卷材直径的大小变化极大，那么相应的电动机磁通弱磁倍数也应不断加大。有些对卷取力度要求的极大的卷材材料，处于工作的需求，卷材半径会发生极大的改变，这就很难找到能够符合其工作要求的电动机。所以说，早期的张力控制系统，已经难以适应当前的工业生产的需求。早期的工业生产中，还有一种最大力矩的控制张力法，但这种控制方法工艺过程十分复杂，对系统要求很高而且很难进行维护，同时精度也很难得到保障，同样无法满足当前对精度要求极高的生产工作。 当前，很多利用自动化设备进行生产工作的企业，在张力控制系统上，多采用微控制器、工业 PC 等性能极高的控制器，拓展了张力控制系统在自动化、数字化上的发展应用。 国外的卷取设备，采用的都是自动微型控制，例如居于领先地位的两家公司，Voith Suizer(伏依特一苏尔寿)公司和 Valmet(维美德)公司生产的复卷机，这两家公司在多年的市场竞争中，分别推出多种自动化复卷机，引领着复卷机的发展。 国内的卷材卷取设备在自动化、数字化的水准都远远比不上国际市场的平均水平。我国的张力控制系统产品，大多数以从国外进口为主，价格不菲，而且尖端技术为国外市场所掌握。随着市场对自动化技术要求不断提高，我国已经加强对张力系统控制的研究力度。生产能力也一步步提升，对张力的检测、张力控制、张力控制的精度等要求也随着提升，例如武汉楚鹰科技开发有限公司推出的复卷检品机[9,10]。我国自行生产的张力系统控制器目前还很难和国外先进水平相比，国产的张力系统控制设备控制张力的精度远远不够，功能不足。
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第二章 回卷机总体设计
2.1 回卷机设计方案
本论文所研究的回卷机可以将辅助卷材进行回卷再利用，或将边缘不齐，或松弛，或绕卷方向错误的原材料卷进行回卷，提供更好的物料给后续工段，以减少后续工段的报废，提升后续工段的产出。 该设备的具体设计要求如下： 回卷机采用西门子 PLC 控制系统，触摸屏操作；具备四种模式运行，覆盖所有回卷方式；恒张力控制，根据设定的张力进行回卷；实现自动纠偏；显示运行速度和米数；自动断料报警；回卷完成时，设备自动停机；所有与产品接触面镀镍处理；设备表层喷漆，触摸屏操作箱带有不锈钢防护罩；所有运动部件都安装在光栅内部，确保操作人员人身安全；无任何排放，无任何污染，设备表面不生锈，符合 FDA（食品药品监督管理局），GMP（药品生产质量管理规范）相关条款，适用于 ISO14644-1规定的 8 级洁净室；添加食品级润滑油，脂。具体设计要求见表 2.1。
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2.2 回卷机机械结构设计
图 2.1 为根据上述设计要求进行设计的回卷机机械结构设计图。回卷机主要有：PLC 操作屏、左右驱动单元、左右纠偏控制单元、张力传感器、速度传感器、超声波传感器、安全光栅等部分组成。 最大纸卷宽幅和最大收放卷直径都是 500mm，这是一台小型设备，设备框架设计为 1400x1700mm。采用紧凑设计，在留足空间给零部件安装的前提下，设计成易于操作员操作的设备，例如高度，考虑到纸卷、薄膜卷的重量沉重，上卷和下卷的位置都偏下，这样操作员就可以轻松上卷和下卷。 西门子 PLC S7-300，这种类型的编程控制器，控制能力和运算能力都比较强，除了进行正常的数据运算外，还能进行较为复杂的三角函数、指数等运算。更重要的是，运算速度也较为快捷，处理速度 0.8~1.2ms ；存贮器 2k ；数字量 1024 点；模拟量 128 路 ；网络 PROFIBUS；工业以太网；MPI。 SIMATIC S7-300 PLC 是模块化小型 PLC 系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与 S7-200 PLC 比较，S7-300 PLC 采用模块化结构，具备高速（0.6~0.1us）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在 S7-300 操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC 人机界面（HMI）从 S7-300 中取得数据，S7-300 按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300 操作系统自动地处理数据的传送；CPU 的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300 PLC 设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC 可通过编程软件 Step 7 的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC 具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接 AS-I 总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在 CPU 中，用于同时连接编程器、PC 机、人机界面系统及其他 SIMATIC S7/M7/C7 等自动化控制系统[18]。
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第三章 张力控制理论分析 ............. 26
3.1 纸带中的张力分析 ............ 26
3.2 纸带中张力动态分析 ........ 27
3.3 张力控制系统模拟仿真 .... 30
3.4 本章小结 ........ 37
第四章 恒张力控制及实验 ............. 38
4.1 张力控制的应用 ...... 38
4.1.1 PLC 控制 ........ 38
4.1.2 速度控制 ....... 42
4.1.3 PID 控制算法 .......... 48
4.1.4 张力控制 ....... 52
4.1.5 回卷机控制系统 ..... 57
4.2 现场试验 ........ 59
4.2.1 安装鉴定 ....... 59
4.2.2 操作鉴定 ....... 60
4.3 本章小结 ........ 63
第五章 总结与展望 ........... 64
5.1 总结 ............. 64
5.2 展望 ...........64
第四章 恒张力控制及实验
本章根据前面章节模拟仿真结果确立的张力控制方案，通过控制纸带线速度来实现张力控制，将该理论研究运用到实际设备设计中，最终通过现场试验等手段来证明理论研究的正确性。
4.1 张力控制的应用
本论文所研究的医用纸张回卷机采用西门子 PLC 控制平台。 PLC 是传统继电器接触器技术与计算机技术相结合的产物，PLC 有着强大的指令集、灵活的配置和紧凑的结构，在工业生产中应用非常广泛，是各种控制应用的理想解决方案。它的硬件结构主要由 CPU、存储器、I/O 接口、电源、I/O 扩展接口、通信接口组成。如图 4.1 所示 PLC 硬件结构。 PLC 在工作时包含有运行—RUN 以及停止—STOP 两个状态。PLC 实际运作中，具体的形式是循环扫描，当处在 RUN 的状态时，不断的进行循环扫描，循环扫描包含有 5 个过程，分别是内部信息处理的过程，通信处理过程，输入的处理过程，对程序进行执行的过程以及输出处理的过程，只有当 PLC 的状态变成 STOP 时或者停机时，用户程序才会停止执行。其中，当进行内部信息处理时，PLC 对 I/O 的接口情况、CPU 以及存储器等进行检测，判断其中是否存在问题，并且过渡到通信处理过程，将所有的外设进行通信连接；信息输入的过程中，根据具体的顺序，PLC 对输入端的状态进行写入，在输入的映像寄存装置里存储采样值；执行用户程序的过程中，同样是在一定的顺序下，PLC 对用户程序进行扫描，并且进行执行，当用户的程序在编写时是梯形图的形式时，扫描过程中，一般情况下，原则上是自上至下，自左至右进行的；当用户程序全部都执行结束后，进行最后的输出处理过程，在这一过程中，处于输出的映像寄存装置中的状态存储到输出锁存器中，输出端进行信息的导出，对外部的负载情况进行相应的驱动处理[46]。
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总结
本文对新型医用纸张回卷机进行恒张力控制研究，通过对回卷机恒张力控制的理论分析，建立数学模型，对回卷机恒张力控制系统进行模拟仿真，完成了回卷机实物样机的安装调试，通过采用增量 PID 方法来控制收放卷电机的线速度差，最终实现纸带中的张力恒定，大大提高了回卷后的医用纸张回卷质量，所研究的回卷机经设计、研制后最终交付使用，完全符合设计要求。 本文首先分析了回卷机以及张力控制的国内外发展现状，对回卷机的整体结构进行设计；分析了传感器工作原理，完成了多种传感器的选型，包括速度传感器，直径传感器，张力传感器，纠偏系统中的纠偏感应器，及安全光栅。 从分析纸带中张力产生原因着手，深入研究了纸带在回卷过程中张力变化的规律，以动量矩定律为基础，建立了纸卷放卷过程中纸带张力控制系统的数学模型，分析得知纸带中的线速度与纸卷的半径是引起张力波动的两个主要干扰量；通过计算机模拟仿真证实了引起纸带中张力变化的两个主要干扰量，借助 MATLAB Simulink 这一经典软件实现模拟仿真，给出了仿真结果及其曲线。 根据 MATLAB 模拟仿真结果，采用增量 PID 控制方法，配合超声波传感器侦测的实时卷径，在西门子 PLC S7-300 控制平台上控制系统运行线速度，使得收放卷线速度稳定，实现系统回卷张力恒定。对回卷机的实物样机进行了恒张力控制的实验验证，回卷机通过了现场试验和安全鉴定。 设备已经交付使用，验收结果表明，回卷机无排放、无污染，满足洁净室设备要求，性能相对稳定，不同材料不同厚度的纸张在运行时，其线速度保持一定数值不变，张力相对恒定，对于偏差的改正相对较好，对精度的调控相对较高，拥有着较大的应用价值，经过回卷的纸卷松紧合适，两端齐平，完全符合设计要求。
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参考文献(略)