1. 项目背景与核心挑战
在薄膜、纸张、无纺布等卷材加工行业，分切机是最关键的设备之一。我去年接手的一个项目，客户要求将1.5米宽的BOPP薄膜分切成12条125mm的窄条，但试机时频繁出现边缘起皱、切边不齐的问题。经过现场排查，发现核心症结在于收放卷张力控制不稳定——这正是大多数分切机质量问题的根源。
传统方案依赖电子凸轮实现同步控制，但这次遇到的FX3U PLC不带电子凸轮功能，硬件预算又卡得很死。这种情况下要实现±2%的张力控制精度，需要解决三个核心问题：
- 放卷直径变化时的惯性补偿（直径从600mm减小到76mm时，转动惯量变化达62倍）
- 加减速过程中的动态张力波动
- 多电机速度耦合时的干扰抑制
2. 硬件架构设计要点
2.1 关键器件选型依据
选择威纶通MT8071iP触摸屏不仅因为成本，更看重其两点特性：
- 自带三菱FX系列协议驱动，省去通信开发时间
- 支持宏指令功能，后期可扩展配方管理
PLC模块配置有讲究：
- FX3U-32MT基本单元：晶体管输出适合脉冲控制
- FX3U-4AD模拟量模块：12位分辨率对应0.1N张力检测精度
- FX3U-2HS高速计数模块：用于卷径计算（后文详述）
2.2 传感器安装的坑
初期按常规将张力传感器装在导向辊下方，结果发现：
- 材料抖动导致测量值波动达±15%
- 传感器受横向力影响零点漂移
改进方案：
- 改用悬臂式传感器，安装在浮动辊支架上
- 增加气压阻尼器（0.3MPa调节范围）
- 采样周期从100ms缩短到20ms
3. 核心控制算法实现
3.1 卷径实时计算方案
没有电子凸轮时，卷径计算尤为关键。我们采用编码器+计时法：
st复制// 高速计数模块测量收卷轴编码器脉冲
// 每转脉冲数：1024PPR
// 材料厚度：0.05mm
D100 = (HS1当前值 - HS1上次值) // 脉冲增量
D101 = (D100 * 0.05) / (3.1416 * 2) // 卷径变化量
D102 = D102 + D101 // 当前卷径(单位:mm)
注意：需在每次换卷时手动输入初始卷径值，建议增加光电开关自动检测功能
3.2 改进型PID算法
常规PID在分切机应用中有两个致命缺陷：
- 积分饱和导致过调
- 微分噪声放大
我们的解决方案：
st复制// 抗积分饱和处理
IF ABS(D3) > K50 THEN // 偏差过大时停止积分
MOV K0 D5
ENDIF
// 不完全微分算法
MOV D3 D11 // 当前偏差
SUB D11 D7 D12 // 偏差变化量
MUL D12 K0.2 D13 // 低通滤波系数0.2
ADD D7 D13 D7 // 更新上次偏差
3.3 速度前馈补偿
针对加减速时的张力波动，增加速度前馈通道：
st复制// D200为加速度设定值(单位:mm/s²)
// D201为前馈系数(需现场调试)
MUL D200 D201 D202
ADD D10 D202 D10 // 叠加到控制量输出
4. 威纶通HMI开发技巧
4.1 关键画面设计要点
-
主监控画面：
- 用动画元件模拟实际卷径变化
- 张力实时曲线采样周期设为200ms
- 增加紧急停止按钮(直接控制PLC的Y10)
-
参数设置画面：
- PID参数分三级权限设置
- 增加"自动整定"按钮触发PLC的自整定程序
4.2 数据记录方案
利用威纶通的资料取样功能：
- 每5秒记录一次：张力设定值、实际值、电机转速
- CSV格式存储，支持U盘导出
- 异常事件触发详细记录（如张力超差±10%持续2秒）
5. 现场调试经验
5.1 参数整定步骤
-
先调速度环（电机空载）：
- 逐步提高P增益直到出现轻微振荡
- 取稳定值的70%作为最终参数
-
再调张力环：
- 比例系数从0.5开始，每次增加0.2
- 积分时间初始设为300ms
- 微分时间最后微调
5.2 典型故障处理
问题1：高速运行时张力周期性波动
- 检查编码器联轴器是否松动
- 确认PLC扫描周期是否稳定（用M8011测试）
问题2：换卷时张力突变
- 检查卷径计算值是否跳变
- 增加换卷过渡时间（建议0.5-1秒）
6. 安全防护措施
-
硬件级保护：
- 张力超限信号直接接入驱动器使能端
- 急停回路采用双触点继电器
-
软件互锁逻辑：
st复制// 放卷制动器控制
LD X0 // 运行信号
AND X1 // 张力正常信号
OUT Y5 // 制动器释放
// 安全速度限制
CMP D10 K5000
MOV K5000 D10
这套系统最终实现的关键指标：
- 稳态张力控制精度：±1.5N（满量程2%）
- 动态跟随误差：<±5N（加减速时）
- 换卷过渡时间：0.8秒内恢复稳定