4. 张力检测与反馈元件
张力闭环控制的第一步，是把“当前张力是多少”变成控制器能读到的电信号。这一步由检测与反馈元件完成。在SINAMICS驱动的生产线张力控制系统中，常用的反馈元件分为两类：一类直接测量张力（张力传感器），另一类通过测量辊的位置或速度间接反映张力（浮动辊、跳舞辊、编码器、测速发电机）。理解它们的工作原理和信号接入方式，是正确组态和整定张力环的前提。
一、张力传感器：直接测量张力
张力传感器（Load Cell）把张力转换为毫伏级电压信号，是精度最高的直接测量方式。常见结构有应变片式和压磁式，工业现场以应变片式为主。按安装方式分为两类：
- 轴承座式（穿轴式）：传感器替代辊子两端的轴承座，辊子承受的张力通过轴承座传递到传感器。常用于测量辊、导向辊位置。
- 悬臂式/张力辊式：传感器安装在测力辊的支撑臂上，通过杠杆比放大或缩小受力。
以某应变片式张力传感器为例，其典型参数为：量程 0～500 N，灵敏度 2.0 mV/V，激励电压 10 V DC，综合精度 ±0.5% F.S.。当张力为 250 N 时，输出约为 1.0 mV/V × 10 V = 10 mV。这个信号非常微弱，必须经过张力变送器或称重放大器放大为标准信号。
信号接入方式有两种典型路径：
- 模拟量路径：传感器 → 张力变送器（放大、滤波、线性化）→ 0～10 V 或 4～20 mA 标准信号 → SINAMICS 的模拟量输入端子（如 CU320-2 的 AI 通道或 TM31 端子模块）。
- 数字量路径：传感器 → 专用张力控制器/称重模块 → PROFIBUS/PROFINET 报文 → SINAMICS 通过通信接收张力实际值。
接线时需注意：传感器屏蔽层单端接地，激励线与信号线分开走线，避免变频器输出电缆的电磁干扰。若使用两路传感器测量同一根辊的两端，应在变送器或PLC中做求和与差值处理，差值可用于判断张力是否偏斜。
二、浮动辊与跳舞辊：位置间接反映张力
浮动辊（Dancer Roll）和跳舞辊本质上是同一类元件：一个可自由摆动的辊子压在料带上，料带张力变化时辊子位置随之改变。张力增大，浮动辊被拉向料带张紧方向；张力减小，浮动辊在配重或气缸作用下回位。因此，浮动辊的位置就是张力的间接度量。
浮动辊通常配有一个位置检测元件，常见的是电位器、编码器或接近开关。以电位器为例，辊臂转角 0～30° 对应输出电压 0～10 V，中间位置 15° 对应 5 V 表示张力设定值。控制器把实际位置与设定位置比较，偏差经PI调节后修正速度或转矩给定。
浮动辊的优点是响应快、能吸收料带伸缩和卷径变化带来的扰动，缺点是精度不如张力传感器，且机械惯量和摩擦会影响动态性能。调试时要确认：气缸压力或配重是否与张力设定匹配、辊子是否在行程中间工作、限位开关是否可靠。
三、编码器与测速发电机：速度反馈
在间接张力控制中，张力与速度差密切相关。编码器和测速发电机用于测量电机或辊子的转速，为张力计算提供速度反馈。
编码器输出脉冲信号，SINAMICS 通过编码器接口（如 SMC30、TM31 或电机内置编码器接口）接入。以增量式编码器为例，1024 ppr、A/B 两相正交、24 V 推挽输出。SINAMICS 读取脉冲频率后计算转速：
n = (f_pulse × 60) / (ppr × 传动比)
= (脉冲频率 × 60) / (每转脉冲数 × 传动比)例如脉冲频率为 10 kHz、ppr=1024、传动比=1，则 n ≈ 586 r/min。编码器信号接入时要注意：A/B 相不能接反，否则转向判断错误；屏蔽层要接编码器模块的屏蔽端子；长距离传输时建议使用 HTL 推挽或 TTL 差分信号。
测速发电机（Tacho Generator）输出与转速成正比的直流电压，典型为 20 V/1000 r/min。它直接接入模拟量输入通道，信号平滑、无需脉冲计数，但存在碳刷磨损和线性度问题，现代系统中已逐步被编码器替代。若仍使用测速发电机，需在 SINAMICS 中设置模拟量输入的标定：0 V 对应 0 r/min，20 V 对应 1000 r/min。
四、信号接入方式对比与选型
不同反馈元件的信号类型、接入端子和适用场景差异明显，下表给出对比：
| 元件 | 输出信号 | 接入方式 | 精度 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 张力传感器 | mV/V | 变送器→AI 或通信 | 高 | 高精度张力闭环 |
| 浮动辊 | 电位器电压/编码器脉冲 | AI 或编码器接口 | 中 | 吸收扰动、中精度 |
| 跳舞辊 | 同上 | 同上 | 中 | 小张力、快速响应 |
| 编码器 | 脉冲 A/B | SMC30/TM31 | 高 | 速度反馈、卷径计算 |
| 测速发电机 | 直流电压 | AI 通道 | 中 | 老设备改造 |
五、信号接入的工程要点
无论哪种元件，接入 SINAMICS 时都要完成三件事：标定、滤波、限幅。标定是把物理量映射到控制器内部百分比或工程量；滤波是抑制机械振动和电磁干扰；限幅是防止断带或传感器故障时反馈值跳变导致控制器误动作。
以张力传感器接入为例，在 SINAMICS 中需设置：模拟量输入类型（0～10 V 或 4～20 mA）、标定上下限（如 0 V 对应 0 N，10 V 对应 500 N）、滤波时间常数（典型 20～50 ms）、断线检测（4～20 mA 时低于 3.6 mA 报故障）。浮动辊位置反馈则需设置死区，避免辊子在中间位置附近频繁调节。
下面用一张信号链图总结本节各元件的信号流向与接入位置：
实际调试时，建议先单独验证每个反馈通道：用手轻拉张力传感器看 AI 值是否变化、手动拨动浮动辊看位置反馈是否线性、盘车看编码器转速是否与实际一致。确认各通道正常后，再投入张力闭环。若反馈信号跳变或漂移，优先检查屏蔽接地、供电和机械安装，而不是急于调整 PI 参数。