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收放卷控制是自动化领域中常见的张力控制场景（如薄膜、纸张、线缆等材料的卷取与放卷），核心是维持材料张力稳定，避免拉伸、褶皱或断裂。以下从控制原理、实现方案和关键技术展开说明：

一、收放卷控制的核心目标

1. 张力稳定：在收 / 放卷过程中，材料张力保持设定值（如 50N），不受卷径变化、速度波动影响；

2. 同步协调：收卷、放卷、牵引辊的速度需匹配（收卷速度略大于牵引速度，放卷速度略小于牵引速度）；

3. 卷径计算：收卷时卷径逐渐增大，放卷时卷径逐渐减小，需实时计算卷径以调整电机转速。

二、常见控制方案（按张力控制方式分类）

1. 开环控制（适用于低精度场景）

• 原理：通过预设速度曲线或卷径与转速的数学关系控制，不检测实际张力。

• 实现：

• 收卷：电机转速随卷径增大而降低（n = v/(π·D)，v为材料线速度，D为当前卷径）；

• 放卷：电机转速随卷径减小而降低。

• 优点：结构简单，成本低；

• 缺点：无法补偿摩擦力、材料弹性等干扰，精度低（±10%）。

2. 闭环控制（高精度场景常用）

需引入张力传感器（检测实际张力），构成闭环调节系统，分以下 2 种主流方案：

方案 A：直接张力闭环（张力传感器 + PID）

• 硬件组成：张力传感器（如拉压力传感器）、PLC、变频 / 伺服电机、张力控制器（或 PLC 内置 PID）。

• 控制逻辑：

1. 设定目标张力T_set，张力传感器反馈实际张力T_act；

2. 计算偏差ΔT = T_set - T_act，通过 PID 调节输出控制量（如电机扭矩或速度）；

3. 收卷时：卷径增大→PID 增加电机扭矩（维持张力）；
   放卷时：卷径减小→PID 减小制动力矩（避免张力过大）。

• 示例 PID 参数调节：

• 比例增益（P）：快速响应偏差（过大会震荡）；

• 积分时间（I）：消除稳态误差（过大会滞后）；

• 微分时间（D）：抑制超调（适合高速场景）。

方案 B：间接张力闭环（卷径 + 速度同步，无传感器）

• 原理：通过控制收 / 放卷电机与牵引电机的速度差维持张力（张力与速度差正相关），需实时计算卷径。

• 卷径计算方法：

• 编码器法：放卷轴安装编码器，通过脉冲数计算已放出长度L，卷径D = D0 - (2L)/(π·N)（D0为初始直径，N为卷料层数）；

• 浮动辊法：通过浮动辊位置反馈卷径变化（位置传感器检测，适合收卷）。

• 优点：省去张力传感器，降低成本；

• 缺点：精度依赖卷径计算准确性（±5%）。

三、典型系统架构（以 PLC + 伺服为例）

以薄膜收卷系统为例，核心组件及控制流程：

1. 硬件组成

• 驱动部分：收卷伺服电机（带编码器）、放卷磁粉制动器 / 伺服电机、牵引伺服电机；

• 检测部分：张力传感器（安装于导向辊）、浮动辊位置传感器、卷径检测编码器；

• 控制部分：PLC（如西门子 S7-1200/1500、三菱 Q 系列）、HMI（设置张力参数、显示状态）。

2. 控制流程（收卷为例）

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1. 初始化：设定目标张力T0、初始卷径D0、牵引速度v；
2. 运行中：
   - 张力传感器实时反馈T_act；
   - PLC计算ΔT = T0 - T_act，通过PID输出扭矩补偿值ΔM；
   - 计算当前卷径D（根据编码器脉冲或浮动辊位置）；
   - 收卷电机速度n = (v + Δv)/πD（Δv为PID调节的速度补偿）；
   - 伺服驱动器接收速度+扭矩指令，控制电机运行。
3. 停车：逐渐降低速度，保持张力至停止（避免材料松弛）。

四、关键技术难点与解决方案

1. 卷径计算误差

• 问题：收卷后期卷径计算偏差累积，导致速度控制不准；

• 解决：定期通过浮动辊位置校准卷径，或采用激光测径仪直接测量。

2. 启动 / 停止时张力波动

• 问题：启停瞬间加速度变化大，易导致张力冲击；

• 解决：采用 S 型加减速曲线，启动时张力设定值逐步提升至目标值。

3. 材料特性差异

• 问题：不同材料（如薄膜 vs 纸张）对张力敏感度不同；

• 解决：HMI 预设多组张力参数（配方功能），一键切换。

4. 锥度张力控制（收卷专用）

• 问题：收卷后期卷径大，内层材料易被外层挤压变形；

• 解决：随卷径增大，按比例降低张力（如T = T0 × (D0/D)，D0为初始直径，D为当前直径）。

五、编程实现要点（以 PLC 为例）

1. 卷径计算程序（ST 语言示例）

   st

1. // 放卷卷径计算：D = 2×(初始周长 - 已放长度)/π
   "已放长度" := "已放长度" + (Encoder_Pulse × PulsesPerMeter) / 1000;  // 单位：米
   "当前卷径" := 2 × ("初始周长" - "已放长度") / PI;
   IF "当前卷径" < "最小卷径" THEN "当前卷径" := "最小卷径"; END_IF;  // 限制最小值

   
   

2. 张力 PID 调节（梯形图逻辑）

• 调用 PLC 内置 PID 功能块（如西门子FB41、三菱PID_AT）；

• 设定值SP = 目标张力，过程值PV = 传感器反馈张力；

• 输出值MV关联至电机扭矩 / 速度指令。

3. 速度同步控制

• 收卷速度 = 牵引速度 × (1 + 张力补偿系数)；

• 补偿系数通过 PID 动态调整（张力不足时增大，张力过大时减小）。

六、选型建议

• 低精度（如包装膜）：PLC + 变频电机 + 磁粉制动器 + 间接张力控制；

• 中高精度（如纸张、箔材）：PLC + 伺服电机 + 张力传感器 + 直接张力闭环；

• 高端场景（如锂电池极片）：专用张力控制器（如三菱 LD-75P、西门子 S120）+ 绝对值编码器。

收放卷控制的核心是 “张力 - 速度 - 卷径” 三者的动态平衡，实际调试时需结合材料特性逐步优化 PID 参数和卷径补偿算法，建议先进行空载测试，再逐步加载调试。