薄膜卷取恒線速度及恒張力控制系統(tǒng)

1 引 言 　　在吹塑薄膜擠出機(jī)生產(chǎn)線上，薄膜卷取是一道非常重要的工序。收卷質(zhì)量對(duì)塑料薄膜的二次加工至關(guān)重要。對(duì)于薄而易變形的薄膜卷取來(lái)說(shuō)，一個(gè)重要的問(wèn)題就是，在正常卷取和翻轉(zhuǎn)架翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，要實(shí)現(xiàn)薄膜牽引和卷取的恒線速度及恒張力控制。一種較好的解決方案是，在建立正常卷取和翻轉(zhuǎn)過(guò)程牽引和卷取的恒線速度及恒張力控制方案的基礎(chǔ)上，構(gòu)成由計(jì)算機(jī)、可編程控制器、變頻器等組成的硬件系統(tǒng)，并進(jìn)行相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)可編程控制器的監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)正常卷取和翻轉(zhuǎn)過(guò)程中牽引和卷取的恒線速度及恒張力控制。 2 方案設(shè)計(jì) 　　生產(chǎn)線中的薄膜線速度和張力的調(diào)節(jié)可以通過(guò)牽引電機(jī)、卷取電機(jī)和翻轉(zhuǎn)架電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)來(lái)反映。本文將線速度作為主控制變量，進(jìn)行綜合控制。 1.1 正常卷取過(guò)程分析 　　對(duì)不同的卷繞過(guò)程，薄膜的張力 和線速度v隨薄膜的材質(zhì)、規(guī)格、厚度、冷卻溫度及卷徑比等因素的不同而不同。而在同一卷取過(guò)程中，要求線速度v恒定，顯然隨著卷繞直徑D的逐漸增大要求卷軸轉(zhuǎn)速 成反比例地減少；另一方面，又要求薄膜的張力 恒定[1]。因此，作用在卷軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T將正比于卷繞直徑D?？傊砝@過(guò)程中要求恒線速度、恒張力傳動(dòng)即恒功率傳動(dòng)。 　　由于卷取輥在卷取薄膜時(shí)，其卷繞直徑D是逐漸增大的，在牽引速度恒定不變的情況下，要維持卷取張力不變，必須使卷取輥的轉(zhuǎn)速隨卷繞直徑的增大而降低，即保持卷取線速度不變[2]。 1.2 翻轉(zhuǎn)過(guò)程中卷取電機(jī)的調(diào)速規(guī)律 　　翻轉(zhuǎn)架翻轉(zhuǎn)時(shí)，薄膜的線速度是膜卷切入處的卷取切向速度和翻轉(zhuǎn)切向速度的矢量和，如圖1所示。也就是說(shuō)，薄膜的卷取線速度已經(jīng)不再等于薄膜的線速度，如果此時(shí)不對(duì)卷取線速度加以修正，勢(shì)必影響薄膜線速度控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，進(jìn)而造成卷取初始時(shí)刻出現(xiàn)較大的超調(diào)。因此，對(duì)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中卷取電機(jī)的調(diào)速規(guī)律進(jìn)行分析是非常必要。 根據(jù)圖1可知，卷取電機(jī)此時(shí)的期望轉(zhuǎn)速 (r/s )應(yīng)為： 式中： 為 與 的相角差。 可見(jiàn)， 除了隨卷徑D變化而變化外，還隨翻轉(zhuǎn)線速度 和 變化而變化。設(shè)翻轉(zhuǎn)引起的卷取線速度變化量為 ，則通過(guò)編寫(xiě)VB6.0程序，可繪制 隨翻轉(zhuǎn)架對(duì)右向水平軸的相角 變化的曲線如圖2所示。 1.3 恒線速度和恒張力控制系統(tǒng)的建立 　　為了滿足正常卷取恒線速度、恒張力同步傳動(dòng)即恒功率傳動(dòng)[1]和翻轉(zhuǎn)過(guò)程中傳動(dòng)的要求，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下所述。 由薄膜的厚度H(m)、卷取電機(jī)軸轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)N、膜卷的初始直徑D0(m)和卷取電機(jī)到卷軸的傳動(dòng)比 ，可實(shí)時(shí)計(jì)算出卷徑：D(m)=2NH/i+D0(3) 　　為了鎮(zhèn)定系統(tǒng)的張力，對(duì)張力的控制采用過(guò)程調(diào)節(jié)（PI調(diào)節(jié)）。設(shè)張力設(shè)定值和張力反饋值之差經(jīng)過(guò)程調(diào)節(jié)對(duì)速度的影響為 (m/s)，則有： 　　牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子角頻率 (rad/s)乘以此時(shí)兩電機(jī)的傳動(dòng)比 ，并與卷取電機(jī)轉(zhuǎn)子角頻率相比較，將兩者之差反饋給卷取電機(jī)定子的期望供電角頻率。由此可以完成在設(shè)定線速度下，卷取電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化而變化。顯然，張力的設(shè)定和張力的反饋構(gòu)成張力調(diào)節(jié)的外環(huán)，在卷取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中加入張力調(diào)節(jié)的影響，來(lái)滿足正常卷取和翻轉(zhuǎn)過(guò)程恒線速度和恒張力控制的要求。 當(dāng)翻轉(zhuǎn)過(guò)程引起的 絕對(duì)值變化較大時(shí)，會(huì)增大系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差，加大系統(tǒng)的超調(diào)量。張力變化較大時(shí)，張力反饋使得 變化較大，從而使卷取電機(jī)定子的期望供電角頻率 變化較大，同樣也會(huì)增大系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差，加大系統(tǒng)的超調(diào)量。為了改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和減少穩(wěn)態(tài)誤差，需要在卷取電機(jī)的速度控制環(huán)中添加PI調(diào)節(jié)器，以減小穩(wěn)態(tài)誤差和速度跟隨誤差，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。 恒線速度及恒張力控制系統(tǒng)的控制框圖如圖3所示。 3 硬件設(shè)計(jì) 　　對(duì)于吹塑薄膜自動(dòng)生產(chǎn)線，一方面電機(jī)的數(shù)目較多，另一方面電機(jī)分布距離一般都比較遠(yuǎn)。牽引和卷取部分的控制通過(guò)計(jì)算機(jī)為上位機(jī)、PLC為下位機(jī)，由PLC直接控制變頻調(diào)速器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。 　　用兩臺(tái)變頻器分別控制牽引電機(jī)和卷取電機(jī)。兩電機(jī)的軸上分別安裝編碼器，編碼器測(cè)得的電機(jī)軸的脈沖信號(hào)送往PLC，完成牽引電機(jī)和卷取電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算和比較，從而經(jīng)PLC的D/A模塊控制變頻器。 卷徑通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算求出，卷徑達(dá)到翻轉(zhuǎn)初始時(shí)的期望值D1max時(shí)，翻轉(zhuǎn)架開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，利用編碼器測(cè)量翻轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)角度，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°后，橫向割斷薄膜，使薄膜卷繞在新卷軸上，并卸下已經(jīng)卷好的膜卷。張力控制由張力控制裝置完成。 　　張力控制裝置由張力檢測(cè)器、張力擴(kuò)大器、張力控制器、功率放大器、磁粉離合器等組成。對(duì)于卷取張力的控制，張力檢測(cè)器測(cè)得的張力信號(hào)，經(jīng)張力擴(kuò)大器擴(kuò)大后送往PLC的A/D模塊與設(shè)定值相比較，經(jīng)PI計(jì)算后完成張力反饋的PI調(diào)節(jié)，再經(jīng)PLC的D/A模塊控制張力控制器，又經(jīng)功率放大器放大后，控制磁粉離合器，從而控制轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩，達(dá)到控制薄膜張力的目的。對(duì)于翻轉(zhuǎn)張力的控制，張力檢測(cè)器測(cè)得的張力信號(hào)，經(jīng)張力擴(kuò)大器擴(kuò)大后送往張力控制器，其控制信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后，控制磁粉離合器，從而控制轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩，達(dá)到控制薄膜張力的目的。 　　厚度計(jì)測(cè)得的厚度信號(hào)也送往PLC的A/D模塊。 　　正常卷取和翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的薄膜卷取恒速恒張控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖4所示。 　　編寫(xiě)繪制卷取電機(jī)各量變化圖形的程序、卷取過(guò)程動(dòng)畫(huà)和實(shí)時(shí)運(yùn)算的程序、翻轉(zhuǎn)過(guò)程動(dòng)畫(huà)以和實(shí)時(shí)運(yùn)算的程序。圖5為卷取過(guò)程動(dòng)畫(huà)和實(shí)時(shí)運(yùn)算界面，圖6為翻轉(zhuǎn)過(guò)程動(dòng)畫(huà)和實(shí)時(shí)運(yùn)算界面。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以選擇所需硬件型號(hào)。 繪制了薄膜牽引和卷取恒速恒張控制系統(tǒng)主回路，編碼器信號(hào)處理電路，薄膜牽引和卷取恒速恒張控制系統(tǒng)可編程控制器硬件接線圖。 4 軟件設(shè)計(jì) 4.1 牽引和卷取的速度同步控制 　　牽引和卷取的速度同步控制框圖如圖10所示。由于ATV-18系列的變頻器具有模擬量輸入和內(nèi)置PI調(diào)節(jié)器的功能，所以速度的PI控制只需設(shè)置變頻器的相應(yīng)參數(shù)即可。 　　由PLC的速度檢測(cè)指令和算術(shù)運(yùn)算指令采用M法測(cè)速，計(jì)算出牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 (單位：r/s)和卷取電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 (單位：r/s)，并記錄卷取電機(jī)軸轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)N，進(jìn)而計(jì)算出卷取電機(jī)角速度 (單位：rad/s)、卷膜直徑D (單位：m)。牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速乘以此時(shí)兩電機(jī)的傳動(dòng)比 與卷取電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相比較，由兩者之差 (單位：r/s)作為反饋量，變換成頻率反饋值 (單位：Hz)，進(jìn)而變換成電壓反饋值 (單位：V)， 經(jīng)PLC的D/A模塊輸出， 送給變頻器2的反饋輸入端AI2。 　　在給定線速度的前提下，計(jì)算出牽引電機(jī)的期望角速度 (單位：rad/s)和期望轉(zhuǎn)速 (單位：r/s)，進(jìn)而計(jì)算出牽引電機(jī)的期望頻率 (單位：Hz)和速度給定電壓 (單位：V)。 經(jīng)PLC的D/A模塊輸出， 送給變頻器1的速度給定輸入端AI1。 　　在給定線速度的前提下，計(jì)算出卷取電機(jī)的定子的期望轉(zhuǎn)速n1M(單位：r/s)，進(jìn)而計(jì)算出卷取電機(jī)的定子的期望頻率 (單位：Hz)和速度給定電壓 (單位：V)。 經(jīng)PLC的D/A模塊輸出， 送給變頻器2的速度給定輸入端AI1。 4.2 卷取張力的PI控制 　　卷取張力的PI控制采用FX2N的PID功能指令。D158存儲(chǔ)張力設(shè)定值(SV)，D154存儲(chǔ)張力反饋值(PV)，D280存儲(chǔ)經(jīng)PID計(jì)算后的張力輸出值(MV)。當(dāng)張力反饋值大于張力設(shè)定值時(shí)，M145為ON，正動(dòng)作，當(dāng)張力反饋值小于張力設(shè)定值時(shí)，M147為ON，反動(dòng)作[3]，相關(guān)梯形圖如圖11所示。 　　PID指令使用的是位置式輸出的增量式PID算法，控制算法中使用了反饋量的一階慣性數(shù)字濾波、不完全微分和反饋量微分等措施，使該指令比普通的PID算法具有更好的控制效果。計(jì)算公式如下[3]： 正動(dòng)作： 4.3 控制流程圖 　　薄膜牽引和卷取恒速恒張控制系統(tǒng)控制流程圖如圖12所示。圖中D1max為翻轉(zhuǎn)初始時(shí)的膜卷直徑。 4.3 梯形圖 　　利用FX-PCS/WIN-C專用編程軟件編寫(xiě)并繪制梯形圖。計(jì)算機(jī)與可編程控制器就地通信和遠(yuǎn)程通信只需對(duì)專用編程軟件FX-PCS/WIN-C進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置即可[4]，內(nèi)部通信協(xié)議見(jiàn)相關(guān)介紹[5]。 利用三菱SW3D5C-LLT-C模擬仿真軟件（梯形圖邏輯測(cè)試工具）對(duì)梯形圖進(jìn)行邏輯測(cè)試。在沒(méi)有FX2N-64MR-001的情況下，進(jìn)行監(jiān)視功能和I/O系統(tǒng)等的測(cè)試，模擬仿真PLC的運(yùn)行情況[6][7]。 5 結(jié)束語(yǔ) 　　采用牽引電機(jī)、卷取電機(jī)轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)控制方法，使卷取電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)正常卷取和翻轉(zhuǎn)過(guò)程轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。為改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，卷取電機(jī)轉(zhuǎn)速控制和張力控制都加入了PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行校正。避免了由于牽引速度和卷曲速度不同步而造成的薄膜在牽引輥上自卷或薄膜厚度達(dá)不到要求等問(wèn)題，提高了正常卷取和翻轉(zhuǎn)過(guò)程薄膜的收卷質(zhì)量。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 呂硯山主編，常用電工電