3. 张力控制系统的组成

张力控制系统的硬件架构决定了控制算法的实现边界与最终控制品质。在PLC编程与调优之前，工程师必须深刻理解每一个硬件环节的物理特性、信号特征与响应延迟。本章将系统拆解张力控制系统的三大核心组成部分：检测单元（传感器）、执行单元（制动器/驱动器）与控制核心（PLC/HMI），并重点分析各部件对算法设计的影响。

3.1 传感器：张力信号的检测原理与选型

3.1.1 核心原理：三种传感器的物理本质

张力传感器是将机械张力转换为电信号的换能元件。在工业实践中，三种主流方案各有其物理基础与适用场景：

• 张力辊（负载单元式）：物料包裹在辊面上，辊两端轴承座下方安装应变片式称重单元。当物料张力变化时，作用在辊上的径向力随之变化，应变片桥路输出毫伏级电压信号。其特点是直接测量张力值，响应快（<5ms），但需要物料与辊面有足够的包角（通常≥90°）。
• 浮动辊（位置检测式）：利用弹簧或气缸将浮动辊压在物料上，物料张力变化导致浮动辊位置偏移。通过电位器或编码器检测位移量，间接反映张力大小。其特点是结构简单、成本低，但响应慢（100-500ms），且存在死区与非线性。
• 称重传感器（轴承座式）：直接安装在导向辊或转向辊的轴承座下方，测量物料对辊的垂直分力。适用于大张力场合（>500N），精度高（0.1%FS），但安装要求严格，需避免侧向力干扰。

3.1.2 判断方法：如何选择传感器类型

3.1.3 实战场景：张力辊信号调理与抗干扰

某涂布机产线采用张力辊方案，PLC模拟量模块读取4-20mA信号。初始调试时发现张力显示波动达±5%，经排查：

1. 现象：张力值周期性波动，频率与变频器载波频率接近（8kHz）。
2. 分析：变频器产生电磁干扰，通过信号电缆耦合进入模拟量通道。
3. 处理：将信号电缆更换为屏蔽双绞线，屏蔽层单端接地（PLC侧）；在PLC模拟量输入端子并联100nF电容滤波；将模拟量采样次数从1次/周期改为16次取平均。
4. 结果：波动降至±0.8%，满足工艺要求。

3.2 执行器：从控制信号到张力输出的转换

3.2.1 核心原理：三种执行器的控制特性

执行器是张力控制系统的“手脚”，其动态特性直接决定控制算法的可行性与效果。

• 磁粉制动器：通过控制励磁电流改变磁粉链的剪切力，从而调节制动转矩。其输出转矩与励磁电流近似线性（±2%），但存在剩磁（需最小励磁电流）和热漂移（连续工作温度升高后转矩下降）。响应时间约50-200ms，适合放卷侧张力控制。
• 变频器（VFD）：驱动交流电机，可工作在速度模式或转矩模式。速度模式响应快（10-50ms），但张力控制需通过速度差实现；转矩模式直接输出转矩指令，但受电机磁场建立时间限制，低速时转矩精度下降。适合收卷侧或中间牵引辊。
• 伺服驱动器：采用永磁同步电机，转矩响应可达1-5ms，且转矩精度高（±0.5%）。支持位置/速度/转矩三种模式切换，是高端张力控制的首选。但成本较高，且需要严格的增益整定。

3.2.2 操作流程：执行器选型与接口匹配

3.2.3 案例拆解：磁粉制动器的热漂移补偿

某分切机放卷采用磁粉制动器，连续运行2小时后张力逐渐增大（从设定值200N升至230N）。经分析：

• 根因：磁粉制动器温度升高（从25℃升至70℃），磁粉导磁率下降，相同励磁电流下转矩减小，为维持张力，PLC PID输出电流增大，但实际转矩仍不足。
• 解决方案：在PLC程序中增加温度补偿模型——通过热敏电阻采集制动器温度，按每10℃修正励磁电流+3%的系数进行前馈补偿。
• 实施效果：补偿后张力波动控制在±1.5%以内，且无需更换更大规格制动器。

3.3 PLC与HMI：控制算法的载体与人机交互

3.3.1 核心原理：PLC扫描周期与张力控制实时性

PLC采用循环扫描工作方式，一个扫描周期包括输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。对于张力控制，扫描周期决定了控制算法的执行频率。典型PLC扫描周期为1-10ms，而张力控制系统的机械时间常数通常在100ms以上，因此PLC的实时性完全满足要求。但需注意：

• 模拟量采样：PLC的AI模块转换时间（如4-20mA信号转换约1ms/通道）会引入延迟，若使用多通道模块，需考虑通道间切换时间。
• 通信延迟：若执行器通过总线（如PROFINET）控制，通信周期（通常1-4ms）会叠加到控制回路中，需在PID参数整定时考虑。
• 中断处理：对于高速张力波动（如启动瞬间），可使用PLC的硬件中断或高速计数器功能，将张力采样与输出刷新独立于主扫描周期。

3.3.2 操作流程：HMI画面设计与参数管理

HMI不仅是显示界面，更是工程师调优与操作员监控的窗口。一个优秀的张力控制HMI应包含以下页面：

1. 主监控页：实时显示当前张力值、设定值、执行器输出百分比、运行速度，并以趋势曲线展示张力变化。
2. 参数设定页：PID参数（Kp、Ki、Kd）、张力设定值、加减速时间、材料卷径变化补偿系数等。
3. 报警管理页：张力超限、传感器断线、执行器过载、通信故障等报警信息及历史记录。
4. 配方管理页：不同材料（如薄膜、纸张、铝箔）对应不同的张力参数组，支持一键切换。

3.3.3 实战场景：PLC程序架构与功能块划分

以西门子S7-1500为例，张力控制程序建议采用以下结构：

// 主程序OB1中调用
"张力控制FB"(
    bEnable := "HMI_启动",
    rSetPoint := "HMI_张力设定",
    rFeedback := "AI_张力反馈",
    rActualSpeed := "AI_线速度",
    rDiameter := "AI_卷径计算",
    rOutput := "AQ_执行器输出",
    rKp := "HMI_Kp",
    rTi := "HMI_Ti",
    rTd := "HMI_Td"
);

功能块内部应包含：信号滤波（移动平均）、PID计算、前馈补偿（基于速度与卷径）、输出限幅、手动/自动切换、报警生成等子程序。建议将PID算法封装为独立FB，便于复用与调试。

3.3.4 常见误区与总结复盘