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)量對塑料薄膜的二次加工至關(guān)重要。對于薄而易變形的薄膜卷取來說，一個重要的問題就是，在正常卷取和翻轉(zhuǎn)架翻轉(zhuǎn)過程中，要實現(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)成由計算機、可編程控制器、變頻器等組成的硬件系統(tǒng)，并進行相應(yīng)的軟件設(shè)計，以實現(xiàn)計算機對可編程控制器的監(jiān)控，從而實現(xiàn)正常卷取和翻轉(zhuǎn)過程中牽引和卷取的恒線速度及恒張力控制。 2 方案設(shè)計 　　生產(chǎn)線中的薄膜線速度和張力的調(diào)節(jié)可以通過牽引電機、卷取電機和翻轉(zhuǎn)架電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)來反映。本文將線速度作為主控制變量，進行綜合控制。 1.1 正常卷取過程分析 　　對不同的卷繞過程，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，作用在卷軸上的負載轉(zhuǎn)矩T將正比于卷繞直徑D?？傊砝@過程中要求恒線速度、恒張力傳動即恒功率傳動。 　　由于卷取輥在卷取薄膜時，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)過程中卷取電機的調(diào)速規(guī)律 　　翻轉(zhuǎn)架翻轉(zhuǎn)時，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，薄膜的卷取線速度已經(jīng)不再等于薄膜的線速度，如果此時不對卷取線速度加以修正，勢必影響薄膜線速度控制的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，進而造成卷取初始時刻出現(xiàn)較大的超調(diào)。因此，對翻轉(zhuǎn)過程中卷取電機的調(diào)速規(guī)律進行分析是非常必要。 根據(jù)圖1可知，卷取電機此時的期望轉(zhuǎn)速 (r/s )應(yīng)為： 式中： 為 與 的相角差。 可見， 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 ，則通過編寫VB6.0程序，可繪制 隨翻轉(zhuǎn)架對右向水平軸的相角 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、恒張力同步傳動即恒功率傳動[1]和翻轉(zhuǎn)過程中傳動的要求，控制系統(tǒng)設(shè)計如下所述。 由薄膜的厚度H(m)、卷取電機軸轉(zhuǎn)過的圈數(shù)N、膜卷的初始直徑D0(m)和卷取電機到卷軸的傳動比 ，可實時計算出卷徑：D(m)=2NH/i+D0(3) 　　為了鎮(zhèn)定系統(tǒng)的張力，對張力的控制采用過程調(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)過程調(diào)節(jié)對速度的影響為 (m/s)，則有： 　　牽引電機轉(zhuǎn)子角頻率 (rad/s)乘以此時兩電機的傳動比 ，并與卷取電機轉(zhuǎn)子角頻率相比較，將兩者之差反饋給卷取電機定子的期望供電角頻率。由此可以完成在設(shè)定線速度下，卷取電機的轉(zhuǎn)速隨著牽引電機的轉(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)過程中加入張力調(diào)節(jié)的影響，來滿足正常卷取和翻轉(zhuǎn)過程恒線速度和恒張力控制的要求。 當(dāng)翻轉(zhuǎn)過程引起的 絕對值變化較大時，會增大系統(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，張力反饋使得 變化較大，從而使卷取電機定子的期望供電角頻率 變化較大，同樣也會增大系統(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)的動態(tài)性能和減少穩(wěn)態(tài)誤差，需要在卷取電機的速度控制環(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 　　對于吹塑薄膜自動生產(chǎn)線，一方面電機的數(shù)目較多，另一方面電機分布距離一般都比較遠。牽引和卷取部分的控制通過計算機為上位機、PLC為下位機，由PLC直接控制變頻調(diào)速器來實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。 　　用兩臺變頻器分別控制牽引電機和卷取電機。兩電機的軸上分別安裝編碼器，編碼器測得的電機軸的脈沖信號送往PLC，完成牽引電機和卷取電機轉(zhuǎn)速的計算和比較，從而經(jīng)PLC的D/A模塊控制變頻器。 卷徑通過實時計算求出，卷徑達到翻轉(zhuǎn)初始時的期望值D1max時，翻轉(zhuǎn)架開始旋轉(zhuǎn)，利用編碼器測量翻轉(zhuǎn)架旋轉(zhuǎn)角度，順時針旋轉(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器、張力擴大器、張力控制器、功率放大器、磁粉離合器等組成。對于卷取張力的控制，張力檢測器測得的張力信號，經(jīng)張力擴大器擴大后送往PLC的A/D模塊與設(shè)定值相比較，經(jīng)PI計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，達到控制薄膜張力的目的。對于翻轉(zhuǎn)張力的控制，張力檢測器測得的張力信號，經(jīng)張力擴大器擴大后送往張力控制器，其控制信號經(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，達到控制薄膜張力的目的。 　　厚度計測得的厚度信號也送往PLC的A/D模塊。 　　正常卷取和翻轉(zhuǎn)過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。 　　編寫繪制卷取電機各量變化圖形的程序、卷取過程動畫和實時運算的程序、翻轉(zhuǎn)過程動畫以和實時運算的程序。圖5為卷取過程動畫和實時運算界面，圖6為翻轉(zhuǎn)過程動畫和實時運算界面。根據(jù)計算結(jié)果可以選擇所需硬件型號。 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 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的速度檢測指令和算術(shù)運算指令采用M法測速，計算出牽引電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 (單位：r/s)和卷取電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 (單位：r/s)，并記錄卷取電機軸轉(zhuǎn)過的圈數(shù)N，進而計算出卷取電機角速度 (單位：rad/s)、卷膜直徑D (單位：m)。牽引電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速乘以此時兩電機的傳動比 與卷取電機轉(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，計算出牽引電機的期望角速度 (單位：rad/s)和期望轉(zhuǎn)速 (單位：r/s)，進而計算出牽引電機的期望頻率 (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，計算出卷取電機的定子的期望轉(zhuǎn)速n1M(單位：r/s)，進而計算出卷取電機的定子的期望頻率 (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存儲張力設(shè)定值(SV)，D154存儲張力反饋值(PV)，D280存儲經(jīng)PID計算后的張力輸出值(MV)。當(dāng)張力反饋值大于張力設(shè)定值時，M145為ON，正動作，當(dāng)張力反饋值小于張力設(shè)定值時，M147為ON，反動作[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。計算公式如下[3]： 正動作： 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)初始時的膜卷直徑。 4.3 梯形圖 　　利用FX-PCS/WIN-C專用編程軟件編寫并繪制梯形圖。計算機與可編程控制器就地通信和遠程通信只需對專用編程軟件FX-PCS/WIN-C進行相應(yīng)的設(shè)置即可[4]，內(nèi)部通信協(xié)議見相關(guān)介紹[5]。 利用三菱SW3D5C-LLT-C模擬仿真軟件（梯形圖邏輯測試工具）對梯形圖進行邏輯測試。在沒有FX2N-64MR-001的情況下，進行監(jiān)視功能和I/O系統(tǒng)等的測試，模擬仿真PLC的運行情況[6][7]。 5 結(jié)束語 　　采用牽引電機、卷取電機轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)控制方法，使卷取電機轉(zhuǎn)速跟隨牽引電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)正常卷取和翻轉(zhuǎn)過程轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。為改善控制系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，卷取電機轉(zhuǎn)速控制和張力控制都加入了PI調(diào)節(jié)器進行校正。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不到要求等問題，提高了正常卷取和翻轉(zhuǎn)過程薄膜的收卷質(zhì)量。 參 考 文 獻 [1] 呂硯山主編，常用電工電