מערכות גלילה

משה שרף, שרף טכנולוגיות הנעה בע”מ

מערכות גלילה הן מהשכיחות ביותר וקיימות כמעט בכל ענפי התעשייה. במהלך השנים עברה התעשייה אבולוציה בכל המישורים, טכנולוגיות הבקרה הממוחשבות והמנועים לבשו צורות שונות קיבלו יכולות דינמיות גבוהות ווסתי המהירות הפשוטים עם הכרטיסים האנלוגיים הפכו למערכות ממוחשבות מדויקות ובעלי תקשורות מהירות ביותר, המאפשרים לבצע את הבקרה בצורה פשוטה, יעילה ובעיקר זולה, מערכות לזרם חילופין תפסו את מקומם של מערכות לזרם ישר, מנועי זרם חילופין זולים יחסית ומצריכים תחזוקה מינימאלית, מערכות Brush less תפסו את מקומם של מערכות הזרם הישר, מנועי הווקטור תופסים יותר ויותר מקום בגלל תכונותיהם הדומות למנועי הזרם הישר.
מערכת גלילה מבטאת את שינוי הקוטר של החומר בצורה רציפה ככל שמתמשך התהליך, ז”א גידול או קיטון הקוטר בגלילה או בפריקה (מסירת חומר), תוך כדי שמירת כוח מתיחה קבוע בחומר בצורה מדויקת ובהתאם לדרישה, כל זאת מבלי לשנות את הכוחות הפועלים עליו על מנת לא לשנות את תכונותיו במתיחת יתר או לחילופין בחוסר מתיחה ואפילו רפיון. חומרים כמו נייר, כבלים, צינורות, יריעות ניילון, סיבים מחומרים שונים מתנהגים שונה זה מזה ומושפעים מתנאי הסביבה ממערכת הבקרה ממבנה המתקן, מטמפרטורה, מהירות, עובי ורוחב קוטר הגלילה, יחס גלילה – יחס בין הקוטר ההתחלתי לבין הקוטר הסופי משקל סטטי של המתקן, מומנט האנרציה של הגליל חיכוך סטטי ודינמי וכן הלאה.
ניתן לחלק את מערכות הגלילה (עם שמירת מתיחות) לשני סוגים עיקריים, הראשונה והשכיחה יותר היא הגלילה המרכזית (central winder) והשנייה היא הגלילה ההיקפית, (surface winder). בחירת תצורת הגלילה נובעת ממספר אלמנטים חשובים כמו סוג החומר ומאפייניו, יחס קטרים, מתיחות מותרת, והכלים העומדים לרשותנו. בכל אחת מהשיטות הללו ניתן לשלב סנסורים, דנסרים בוכנתיים, כנגד קפיץ או משקל (Load cell) וכולי על מנת להגיע לתוצאות טובות יותר, הגישות ליישומי הבקרה מאופיינות בדרך כלל לפי המקובל באותו מגזר ענפי או ליתר דיוק מה נכון לחומר, בהתאם לדרישות הייצור.
בשנים בהם שלטו מערכות הנעה לזרם ישר בבקרת המנועים אשר באמצעותם נעשו השימושים לבקרת גלילה (מסירה) היישום היה פשוט יותר כאשר בחלק ממערכות ההנעה היו גם כרטיסי אופציה שונים שידעו לחשב קוטר משתנה, מומנט, מתיחות וכולי. במרבית המערכות הפשוטות השתמשו לאפליקציות הללו בבקרי מהירות פשוטים שפעלו בשני חוגים: מתח-למהירות וזרם-למומנט שהיוו את הליבה של המערכת. במנועי זרם ישר, המהירות היא יחסית למתח הרוטור והמומנט הוא יחסי לזרם ומתפתח בו בהתאם לשטף המגנטי הקבוע שמסופק ע”י מגנטים קבועים או שדות מלופפים. מאחר ובבקרי מהירות למנועי זרם ישר יש הפרדה כמעט מוחלטת בין שני חוגי הבקרה של מתח וזרם העוגן הנשלטות ע”י סיגנלים אנלוגיים ממקורות חיצוניים השליטה בגלילה הייתה פשוטה, חוג בקרת המתח שלט במהירות המנוע וחוג בקרת הזרם שלט במומנט. במנועי זרם ישר ניתן לראות בבירור מתוך נוסחאות הקשר את הביטוי של מתח-מהירות וזרם-מומנט.
המומנט מוגדר פיזיקלית כמכפלת הכוח הפועל בזרוע הכוח ולכן: 
כאשר:

 המכפלה הווקטורית  הוא וקטור המרחק בין ציר הסיבוב של הגוף לבין נקודת הפעלת הכוח הוא וקטור הכוח מסמל את המומנט.
קבועי המנוע העיקריים הם קבוע המומנט וקבוע המהירות ומכאן:
Kt=FxR/Ia
כאשר: Kt מבטא את קבוע המומנט של המנוע (ניוטון מטר לאמפר)
Kv =V/Rpm
כאשר: Kv מבטא את קבוע המהירות של המנוע
הספק המנוע יחסי למכפלת המומנט במהירות:

מביטויים אלו אנו רואים מיד כי המומנט יחסי לזרם אך קשור לכוח בחומר ולרדיוס, כלומר אם במערכת גלילה מסוג – Open loop direct winder נשמור על זרם קבוע למנוע יישמר המומנט אך הכוח בחומר – ז”א המתיחות שלו, תלך ותרד ככל שהקוטר יגדל, שינוי המהירות של המנוע יגדיל או יקטין את ההספק שיבוא לידי ביטוי בכמות החומר שנגלול. בחלק מן האפליקציות מסתפקים בבקרה מסוג זה מאחר והחומר יכול “לספוג” שינויי כוח בהתאם לשינוי הקוטר. למעשה נוכל לקרוא לבקרה זו – בקרת גלילה בחוג פתוח, או בקרת מומנט. כיום במרבית התהליכים לא מסתפקים בבקרה פשוטה כזו ומכניסים גורמי תיקון כמו סנסורים לכוח, לבדיקת הקוטר, דנסר לבקרת מיקום – שהוא למעשה בקרת מתיחות (ראה איור), משובי מהירות למיניהם על תוף הגלילה ומשדרי מהירות של החומר בתהליך, מאחר והמערכות לבקרת מנועים משוכללות דיין כל המידע הנחוץ לנו לבקרת גלילה נכונה זמין בבקרי המהירות או בבקרי התהליך (PLC) למיניהם ובתוספת של תכנון נכון ובחירת החיישנים השונים, כפי שניתן לראות בציור הבא יתנו מענה מדויק ונכון, יחד עם זאת צריך לזכור שבמידה ועובדים עם ווסת תדר למנוע זרם חילופין יש לקחת בחשבון את המומנט של המנוע במהירויות הנמוכות בשונה ממנועי זרם ישר. לכן רצוי לעבוד עם מנוע ווקטורי ובקר המסוגל להפעילו בתצורה זו, מאחר ומנועים וקטוריים מסוגלים לפתח מומנט גבוהה במיוחד במהירויות נמוכות, אנו עלולים למצוא את עצמנו בבעיה מאחר וגידול הקוטר בבקרת גלילה מצריך גידול בזרם מחד גיסא והמהירות הסיבובית ירדה (ההיקף גדל) מאידך גיסא, משטר חום המנוע יחמיר ככל שהמהירות תרד והזרם יגדל, לכן בבקרת גלילה הפתרון הטוב ביותר הוא להשתמש במנועי ווקטור, המתאימים לאפליקציות הללו כאשר יחס הקטרים גבוהה מ-1:4 במידה ועובדים עם מנוע זרם חילופין רגיל חשוב לדאוג שהטמפרטורה שלו לא תעלה מעל המותר.
מערכת גלילה הכוללת בקר, מהירות, מנוע וממסרת, בקר, גלילה, נדנדה, משדר, מיקום משוב מהירות קווית ומשוב מהירות סיבובית.
מערכת גלילה ישירה – בקרת מומנט – כיצד זה פועל:
נרשום את נוסחת הקשר בין הקוטר, מהירות קווית ומהירות הסיבוב

המומנט שווה בערכו לכוח כפול זרוע שזהו הרדיוס (מחצית הקוטר)

סה”כ המומנט ישווה לסכום המומנטים בציר ההנעה – מומנט מתיחת החומר + מומנט החיכוך הסטטי ומומנט האינרציה.

ההספק בגוללן שווה לכוח כפול המהירות

ההספק האינרציאלי למכפלת המסה בתאוצה ובמקסימום מהירות הקווית

ההספק המושקע בחיכוכי המערכת שווה למכפלת מהירות המנוע במומנט המבוזבז על החיכוך

הספק הגוללן שווה להספק כפול היחס שבין גידול הקוטר וקבוע ההספק (קבוע ההספק שווה ל-1 במידה ואין שינוי בעירור השדה של המנוע) בנוסף להספק החיכוך והספק האינרציה

סה”כ ההספק יהיה שווה למכפלת מהירות המנוע במומנט-מחולק בקבוע ההמרה של ההספק ג’אולים ליחידת זמן.

באור:
תוף הגלילה מחובר למנוע דרך תמסורת מכאנית מתאימה, לווסת המהירות הקווית MASTER SECTION ישנה יציאה לחיווי מהירות לבקר הגלילה, בקר הגלילה מקבל דרישת מהירות גבוהה יותר מהמהירות הקווית OVER SPEED הדואג לכך שהמנוע תמיד יהיה בשאיפה למהירות גבוהה יותר, על מנת לבצע מתיחות מתאימה בחומר, הבקר גלילה מקבל בכניסה המתאימה דרישת זרם קבועה ובכך המערכת תגלול את החומר כאשר בכל עת הקוטר הולך וגדל, השילוב בין האותות של מהירות קווית, דרישת מומנט (זרם) מבצעת פעולת גלילה פשוטה – כמובן שיש לקחת בחשבון שאם הקוטר יעלה לערכים גבוהים עשויים למצוא את המנוע במצב של חוסר יציבות הנגרם כתוצאה מעצירה ומשיכה, יישום זה נכון למקומות בהם יחס הקטרים אינו עולה על 1:3-3.5 מאחר ומעל ערכים אלו המערכת עשויה להגיע למגבלות המומנט שלה.

מערכת גלילה בסיסית באמצעות דנסר – כיצד זה פועל:
תוף הגלילה מחובר בציר למערכת ההנעה הכוללת מנוע ממסרה ובקר מהירות. החומר הנגלל עובר ממתקן המסירה דרך נדנדה שכוללת סנסור השולח אות לבקר המהירות בהתאם למיקומו. בדרך כלל הנדנדה משמשת כמערכת מיקום המשנה את מיקומה בהתאם למהירות החומר העובר דרכה כנגד לחץ או משקל הקובע את המתח בחומר (בוכנת אויר, משקולת, קפיץ וכדומה). ככל שהקוטר גדל, מהירות הסיבוב קטנה כאשר מיקום הדנסר נשאר כשהיה. כאשר הדנסר עולה כלפי מעלה הוא גורם למנוע להאט את סיבובו וכאשר הדנסר ירד כלפי מטה יגרום למנוע להגביר את מהירותו, ז”א שהמהירות הקווית של החומר שווה בכל עת למהירות ההיקפית כאשר ככל שהקוטר יעלה מהירות הסיבוב תרד. מערכת PID המסכמת את האותות של הערך הרצוי והמצוי גורמת ליציבות המהירות – תוך כדי שמירה על המתיחות “F” בחומר. מערכות כאלו שכיחות מאוד ביישומים הפשוטים מאחר והאינדיקציה היחידה למתיחות בחומר היא מהנדנדה. במידה ואנו רואים שהדנסר אינו יציב ניתן להסיק מכך שהמתיחות בחומר אינה יציבה, לכן שאיפתנו בכיול המערכת לגרום לכך שהדנסר יישאר במקומו ויבצע את התיקונים המתאימים על מנת לשמור על היציבות.

מערכת גלילה צירית באמצעות WINDER CALCULATOR – כיצד זה פועל:
מערכות ויסות למנועים – Drivers מהחברות המובילות כוללים יכולות חישוב מתמטיות לבקרה מדויקת – “מחשבי גלילה” בקרת מתיחות באמצעות Load cell דנסר רגשים שונים, בקרת חישוב קוטר
ו-Taper להחלשה ואו הגברה של המתיחות ביחס ישיר לשינוי הקוטר בזמן העבודה. בדרך כלל ווסתי מהירות למנועי זרם ישר ולמנועי זרם חילופין יכללו פונקציות נוספות המעשירות את הבקר ומאפשרות למשתמש לנצל אותו ליישומים רבים.
בקרת גלילה ללא חיישנים כל שהם אפשרית רק במידה ומשתמשים במשוב מהירות מהמנוע הגולל ובהוראת המהירות הקווית, על בסיס שני נתונים אלו ניתן לחשב את גידול הקוטר ובהתאם לכך לשנות את הוראת המומנט. למהירות במנוע כדי לקבל את המתיחות הרצויה בחומר הנגלל, במידה ונכניס משוב נוסף רק נגביר את דיוק המערכת.
על מנת להשיג תוצאות גלילה טובות ומדויקות יש להכניס את הערכים הנכונים למערכת. חשוב ביותר לדעת שמערכות לא “יודעות” לחשב עבור ערכי “אפס” ולכן קובעים ערכי מינימום ומקסימום, הן לקוטר והן למהירות על פי הדרישה. יחד עם זאת לפני התחלת גלילה יש לקבוע את קוטר הליבה כמינימום, אחרת המערכת תאיץ ותפתח ערכי מתיחה לא נכונים.
לכל מערכת גלילה בין אם מבוססת מערכות לזרם ישר או לזרם חילופין או מערכות סרוו ישנה התאמה מלאה לערכים הפיסיקליים של המתקן, בין אם משתמשים בבקר חיצוני או בקר פנימי של ווסת המהירות. מחשב הגלילה diameter ,
tension ,torque & Taper calculator ביחד ואו לחוד לוקחים בחשבון את הערכים שאנו מכניסים למערכת בשלב הכיול, לכן יש לדייק עד כמה שניתן בהזנת הנתונים כדי לקבל תוצאות טובות.

יחידת המשוב:
בכל מערכת בקרה למעט גלילת מומנט יש להתקין יחידת משוב כל שהיא מתיחות, כוח, קוטר מהירות וכדומה, יחידת המשוב מזהה שינוי בערך הנמדד ומעבירה את האות לבקר המבצע תיקון דרך בלוק תוכנתי מסוג PID על מנת לבצע ריסון מתאים לשגיאה הנוצרת בין הערך המצוי לערך הרצוי, לכל שיטה יש את היתרונות והחסרונות אך בבסיס ניתן להתייחס אל כל שיטה באותו אופן, ובמגבלות של כל שיטה, ניתן להשתמש בדנסר פוטנציומטר המשדר סיגנל אנלוגי רציף, סנסור אולטרא סוני המחזיר מתח למערכת כפונקציה של גידול הקוטר, ניתן להשתמש בזרוע רוכבת על החומר גם לקריאת הקוטר, סוגי הדנסרים מגוונים ביותר וניתן להשתמש בבוכנה חשמלית, הידראולית או במשקולת או בקפיץ הכול על פי שיקול דעת מקצועי, נוחות ובעיקר על פי התאמה לתהליך.
מערכות ההנעה נפוצות כמעט בכל תהליך, בין היתר אחת האפליקציות הפופולאריות הקרובות ביותר לתהליך גלילה בבקרת מומנט היא משיכה ומתיחה של כבלים צינורות וכדומה, הסנכרון בין מנועים, נעשה באמצעים דיגיטליים או אנלוגיים או בתקשורת. חשוב לציין שבאפליקציה מסוג זה יש להקפיד על מספר דברים לפני שניגשים לביצוע הפרויקט: לבחור את המנועים והווסתים על פי שיקולי מתיחות והספק, בתכנון המכאני יש לוודא שאין החלקה בין החומר לגלילי ההנעה, יש הכרח לבצע תמיד overspeed כדי שיוכל להתפתח מומנט בזמן המתיחה, דיוק המתיחה נקבע ע”י סוג המשוב ואיכותו, במידה ועובדים ללא יחידת משוב מתיחות חשוב לקבוע ולהקפיד על תנאי ההתחלה ועל כיול המערכת כדי לקבל תוצאות מיטביות.
במאמר זה ניסיתי להביא לידיעה ולרענון את מרבית השיקולים החשובים בבחירת הציוד בחישוב ובהתאמת המערכת לתהליך הגלילה תוך מתן דגש להבנת המערכת הפיזיקאלית על מנת שכל אחד יוכל ליישם את העקרונות בתכנון המערכת. בין אם משתמשים בווסתי מהירות למנועי זרם ישר, למנועי זרם חילופין ומערכות הסרוו, חשוב לציין כי בבחירת הציוד יש לקחת בחשבון אם אנו רוצים להשתמש בווסתי המהירות כמערכות שבהם תותקן התוכנה או להשתמש בבקר חיצוני שמבקר את כל התהליך, לכל גישה יש חסרונות ויתרונות, ולכן אני ממליץ לבחון את כל האפשרויות הן בבחירת השיטה המתאימה לתהליך, הן בבחירת מערכת ההנעה המתאימה תוך שימת לב לכוחות למתיחויות הרצויות, בבחינת העלות הכוללת של היישום מול התועלת שאנו רוצים להפיק ולאורך זמן.

לפרטים נוספים בקרו באתר החברה