摘要

本文以某薄膜分切设备为对象，介绍了基于西门子 S7-1200 PLC + 富士伺服系统的双轴同步张力控制方案。重点分析了主从轴速度匹配、PID 张力闭环控制、张力传感器信号处理、以及伺服调试参数优化过程。通过实测数据验证，本文方案可在 30~60 m/min 的速度范围内实现 ±2% 的张力误差，满足精密卷绕设备要求。

一、工程背景与控制要求

该分切机用于将母卷薄膜以设定张力分切成多个小卷。设备主要包含：

放卷轴（Unwind）：负责放出母卷；

收卷轴（Rewind）：按设定张力收卷；

牵引辊（Line Drive）：保持线速度稳定。

控制要求

主牵引轴为基准，放卷与收卷轴需实现速度同步 + 张力闭环控制；

生产速度范围：10 ~ 60 m/min；

张力精度要求：±2%；

实时补偿卷径变化（非线性）；

支持手动/自动切换，停机平滑无冲击。

二、系统组成
项目 设备型号 说明
PLC Siemens S7-1214C 内置高速计数器、运动控制功能
HMI KTP700 Basic 参数设定与监控
伺服驱动器 富士 FALDIC-α5 带转矩控制模式
伺服电机 1.5kW × 3台 分别驱动放卷、牵引、收卷
张力传感器 Nireco TFA-10 模拟输出 0~10V
编码器 1024ppr 检测线速度与卷径

通讯方式：主轴与从轴采用 PROFINET；张力信号通过模拟量 AI 模块采集。

三、控制策略

系统采用“主轴速度前馈 + 张力闭环调节”方案：

主牵引轴：速度基准，由HMI输入运行速度，控制线速度；

放卷轴：根据卷径变化动态调整转矩，实现恒张力放卷；

收卷轴：根据卷径变化动态调整转矩，实现恒张力收卷；

卷径计算：根据编码器脉冲累计值计算卷径，用于前馈补偿；

张力闭环：采集张力传感器电压信号，经滤波后输入PID调节器，输出转矩修正量。

控制方框图
      ┌──────────────┐
      │ 张力传感器   │
      └─────┬────────┘
            │0~10V
        ┌───▼────────────┐
        │ 模拟量采集 & 滤波│
        └───┬────────────┘
            │
        ┌───▼────────┐
        │ PID调节器  │
        └───┬────────┘
            │ΔTorque
      ┌─────▼────┐
      │伺服驱动器│ ← 速度前馈 + 转矩修正
      └──────────┘

四、关键算法与程序实现
1. 卷径计算公式

假设初始卷径 D0=80mm，膜厚 t=0.025mm，编码器脉冲每转 N=1024，每次采样累计脉冲数 P：

D = √(D0² + (4 * t * P / N * π * D0))


PLC 程序中以实数浮点方式计算，每次采样更新卷径变量 D_unwind、D_rewind。

2. 张力闭环 PID 结构

在 S7-1200 中调用 PID_Compact 功能块：

PID_Compact(
    PV_IN := AI_Tension,       // 张力传感器信号
    SP_INT := Tension_Set,     // 设定张力
    MAN_IN := Manual_Mode,
    KP := 0.8,
    TN := 1.2,
    TV := 0.0,
    LMN_HLM := 100.0,
    LMN_LLM := -100.0,
    LMN_OUT := Torque_Adjust
);


输出信号 Torque_Adjust 与速度前馈叠加，经比例放大后送至伺服模拟量输入，实现实时转矩调节。

3. 实测PID参数整定

采用Ziegler-Nichols振荡法初调，结合现场调整，最终参数如下：

模式 KP TN TV
放卷PID 0.9 1.1s 0
收卷PID 0.8 1.5s 0
4. 程序片段示例（梯形图逻辑）
Network 1: 卷径计算
  ADD (Pulse_Acc, Pulse_Last, Pulse_Diff);
  MUL (Pulse_Diff, Factor, Add_Length);
  ADD (Add_Length, Reel_Length, Reel_Length);
  SQRT (..., Reel_Diameter);

Network 2: PID 调节输出
  CALL PID_Compact
    PV_IN := AI_Tension
    SP_INT := Tension_Set
    LMN_OUT := Torque_Adjust;

Network 3: 输出叠加
  Torque_Total = Torque_Feedforward + Torque_Adjust;
  AO_ReelDrive := Scale(Torque_Total);

五、调试结果与性能分析
1. 测试条件

薄膜厚度：25μm

运行速度：30m/min、45m/min、60m/min

张力设定：40N

2. 测试数据
速度 张力平均值 (N) 标准差 (N) 误差 (%)
30 m/min 39.8 0.6 ±1.5%
45 m/min 40.2 0.8 ±2.0%
60 m/min 39.5 1.1 ±2.7%
3. 结果分析

在额定速度下张力稳定，波动小；

高速时因传感器响应滞后，误差略增，后续可优化滤波时间常数；

启停过渡平滑，无明显张力冲击；

系统响应时间约为 150ms，满足现场需求。

六、结论与建议

本方案实现了基于PLC + 伺服系统的双轴同步张力控制，在全速范围内保持 ±2% 张力精度；

PID 控制结合卷径补偿，有效抑制了张力波动；

推荐在高速 (>80m/min) 设备中引入前馈补偿 + 自适应PID算法；

对于对精度要求更高的系统，可考虑采用张力环伺服+闭环力矩控制方案。

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