（测试计量技术及仪器专业论文）基于plc和触摸屏的铜箔后处理机控制系统设计.pdf

摘要 铜箔是电子工业的基础材料，随着电子信息产业的发展，对铜箔的产量和 质量都提出了更高的要求，后处理机用于对铜箔进行表面处理，其控制系统的 优劣起着决定性的作用。传统铜箔后处理机控制系统接线复杂、人机对话方式 单一、操作繁琐、可靠性差、维护难度大，直接影响铜箔的产量和质量，因此， 本文对变频调速、张力控制、p i d 控制等关键技术进行研究，分析后处理机的基 本原理和控制要求，采用p l c 和触摸屏相结合的方法，并融合先进的控制技术 开发设计了一套控制系统。 通过分析后处理机生产过程中的受力情况，建立速度和张力的强耦合非线 性关系，提出速度和张力的解耦控制算法，对变频调速系统、张力控制系统进 行建模与仿真分析，并完成了p l c 程序和人机界面的设计。利用触摸屏取代了 传统控制系统中的按钮、指示灯和仪表等，简化了操作，节约了硬件上的成本， 使自动化程度得到了加强。 本文的具体工作如下： ( 1 ) 分析铜箔业的国内外现状，找出我国后处理机存在的问题，提出采用 p l c 与触摸屏相结合的技术进行系统优化。 ( 2 ) 从后处理机的工艺原理和技术指标出发，分析处理过程的受力情况， 找出张力的影响因素，制定张力和速度的解耦控制策略；在具体控制算法上， 研究了p i d 控制算法及参数整定方法。完成了后处理机控制系统的硬件设计。 ( 3 ) 通过对变频调速系统、张力控制系统建模和仿真，给出了p i d 参数的 在线整定方法。 ( 4 ) 分析控制要求，采用模块化的编程方法完成了p l c 控制程序的设计， 主要包括速度控制、张力控制的软件实现。根据生产实际，结合p l c 控制程序， 设计了人机交互界面。 ( 5 ) 完成后处理机控制系统的样机组装和初步调试，通过大量的实验对系 统进行了参数修正和软件标定。 现场实验证明，本文设计的后处理机控制系统安全可靠、操作简单、人机 交互性好，生产出来的铜箔的质量和产量有了很大程度上的提高。 关键词：铜箔后处理机，p l c ，触摸屏，张力控制，速度控制 a b s t r a c t c o p p e ri sn e c e s s a r ym a t e r i a li ne l e c t r o n i ci n d u s t r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i ci n f o r m a t i o ni n d u s t r y , h i g h e rr e q u i r e m e n t sa r ep u tf o r w a r df o rt h eq u a l i t y a n dy i e l do fc o p p e r t h ep o s t - p r o c e s s o ri su s e dt od e a lw i t ht h es u r f a c eo fc o p p e r , a n d t h ec o n t r o ls y s t e mp l a y sad e c i s i v er o l e h o w e v e r ，t h e r ew e r ec o m p l e xw i r i n g ，s i n g l e m a n m a c h i n ei n t e r a c t i o n ，f u s s yo p e r a t i o n ，p o o rr e l i a b i l i t ya n dg r e a td i f f i c u l t yf o r m a i n t e n a n c ei nt h et r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e mo ft h ep o s t p r o c e s s o rm a c h i n e ，w h i c hi s t h ei m p o r t a n ti s s u ef o rq u a l i t ya n dq u a n t i t yo ft h ep r o d u c t s o ，i nt h i sp a p e r , v a r i a b l e f r e q u e n c yr e g u l a t i n gs p e e dt e c h n o l o g y , t e n s i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y , a n dp i dc o n t r o l t e c h n o l o g ya r er e s e a r c h e d t h r o u g ha n a l y z i n gt h eb a s i cp r i n c i p l ea n d c o n t r o lr e q u e s t o ft h ep o s t p r o c e s s o r ，an e wc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d 诵t ht h em e t h o do fc o m b i n i n g t o u c hs c r e e nw i t l lp l c t h i sp a p e ra n a l y z e st h ef o r c ea c t i n gi nt h ep r o c e s so ft h ep o s t - p r o c e s s o r , e s t a b l i s h e st h es t r o n g c o u p l i n gn o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p e e da n dt e n s i o n ，a n d b r i n g sf o m li nad e c o u p l i n gc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nt h es t u d yo ft e n s i o nc o n t r o l t e c h n o l o g y w h a t sm o r e ，v a r i a b l ef r e q u e n c ys y s t e ma n dt e n s i o nc o n t r o ls y s t e ma r e m o d e l e da n de m u l a t e d ，a n dt h ep l cp r o g r a ma n dh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c ea r e d e s i g n e d t h r o u g ht h e t o u c h - s c r e e nr e p l a c i n gt h eb u t t o n s ，i n d i c a t o rl i g h t sa n d i n s t r u m e n t a t i o n so ft r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e m ，t h eo p e r a t i o ni ss i m p l i f i e d ；t h ec o s ti s s a v e d ；t h ea u t o m a t i o nh a sb e e ns t r e n g t h e n e d t h ed e t a i l e dc o n t e n to ft h i sp a p e rs h o w sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h r o u g ha n a l y z i n gt h ep r e s e n ts i t u a t i o no fc o p p e ri n d u s t r y ，t h ep r o b l e m s e x i s t i n gi nd o m e s t i cp o s t p r o c e s s o ra r ef o u n do u t s ot h et e c h n o l o g yo fc o m b i n a t i o n p l cw i t ht o u c hs c r e e ni sp r o p o s e dt oi m p r o v et h ep o s t p r o c e s s o rc o n t r o ls y s t e m ( 2 ) b a s i n go nt h ep r i n c i p l e sa n dt e c h n i c a lt a r g e to ft h ep o s t p r o c e s s o r ，t h i sp a p e r a n a l y z e st h ef o r c ea c t i n gd u r i n gt h ep r o c e s s ，f i n d so u tt h ef a c t o r si m p a c t i n gt e n s i o n ， a n dd e v e l o p e dad e c o u p l i n gc o n t r o ls t r a t e g yo ft e n s i o na n ds p e e d m o r e o v e r ，t h ep i d c o n t r o la l g o r i t h ma n di t sp a r a m e t e rm o d u l a t i n gm e t h o da r es t u d i e di nt h i sp a p e r f i n a l l y ，h a r d w a r ed e s i g no ft h ep o s tp r o c e s s o rc o n t r o ls y s t e mi sc o m p l e t e d ( 3 ) v a r i a b l ef r e q u e n c ys y s t e ma n dt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m a r em o d e l e da n d e m u l a t e d ，a n dm e t h o df o rp i dp a r a m e t e rm o d u l a t i n gi sa d v a n c e d 1 1 ( 4 ) t h r o u g ha n g l i c i z i n gt h ec o n t r o lr e q u e s t s ，c o n t r o la l g o r i t h m sa r ep r o v i d e d ，a n d t h ep l cc o n t r o l p r o g r a md e s i g ni sc o m p l e t e db yt h em e t h o do fm o d u l a r p r o g r a m m i n g ，w h i c hi n c l u d e st h es o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o no fs p e e dc o n t r o la n d t e n s i o n c o n t r 0 1 a c c o r d i n g t ot h e s p e c i f i cr e q u e s ta n dp r o d u c t i o n p r o c e s s ， m a n 。m a c h i n ei n t e r f a c ef o rt h ec o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e dr e f e r r i n gt op l cc o n t r o l p r o g r a m ( 5 ) i n s t a l la n de x e c u t et h ep o s t - p r o c e s s o rc o n t r o ls y s t e m ，a n da n a l y z et h er e s u l t sb y al a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t s ，a f t e rt h a t ，t h e s y s t e mp a r a m e t e r sa n dc o n t r o l a l g o r i t h m sa r em o d i f i e df u r t h e r f i e l de x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h en e w c o n t r o ls y s t e mi ss a f ea n dr e l i a b l e ，g o o df o r h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i n g ，s ot h a tt h eq u a l i t ya n dy i e l do ft h ec o p p e rf o i lh a v eb e e n l a r g e l yi m p r o v e d k e y w o r d s ：p o s t 。p r o c e s s o rf o rc o p p e rf o i l ，p l c ，t o u c hs c r e e n ，t e n s i o nc o n t r o l ，s p e e d c o n t r o l i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：丛公日期鲨亟! 篁： l l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 日期： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源及研究意义 铜箔是电子工业的基础材料，也是制作印制电路板( p c b ) 、覆铜板( c c l ) 和锂离子电池不可缺少的主要原材料。随着电子信息产品趋于高性能化、线路 板的多层化及密集化发展，铜箔不但要做到厚度越来越薄，而且物理和化学指 标都有了更高的要求。国内外经验表明，采用新工艺、新技术、新型设备、自 动化和电子计算机的应用是达到高产、高效、优质、节能降耗、多品种和低成 本的有效方法。 铜箔的生产是一种技术性比较强的工艺过程，主要包括生箔和原箔表面处 理两个过程，表面处理是连接原箔和产品的中间环节，原箔必须要经过表面处 理才能成为电子信息工业的原材料。表面处理是对铜箔进行粗化层处理、耐热 层处理及防氧化层处理等，而三者在同一台表面处理机( 即后处理机) 上分步 骤连续完成【l _ 3 | 。后处理的质量不仅影响到铜箔生产产量，也影响到铜箔表面的 物理和化学性能。此外，铜箔生产技术的发展还会带动造纸、印刷、纺织等行 业的发展，对企业结构和产品结构的简化和优化都有着重要的促进作用。 本课题来源于“西安航天动力机械厂铜箔生产实验机的设计与制造”项目。 根据后处理机的工艺过程，对相关技术进行研究，制定更为合适的控制策略， 对电气控制系统进行优化设计，并对原有控制系统先进行全面的测试和分析， 在此基础上建立控制系统数学模型，然后进行模型仿真，这样可以节省系统改 造的调试时间，缩短了开发周期，减少了调试中的原材料浪费。在提高工厂自 动化程度、提高铜箔质量和减轻工人强度等方面都有着重要的现实意义。 本课题研究的控制系统，在造纸、印刷、纺织等生产行业中具有普遍性， 对此类系统的数学模型进行全面深入的分析和研究，对类似的张力控制系统的 分析和设计具有很好的理论指导意义。 从现实上讲，对于改善传统控制系统接线繁琐、开发性差、修理维护难度 大、人机交互差的缺点具有很大的现实意义：同时对提高产品质量和产量也具 有推动作用，可以在很大程度上提高企业的生产效率。从国内铜箔业发展的层 次上讲，可以缓解国内铜箔供不应求的局势，缩小铜箔市场的缺口，提高我国 铜加工产业的技术水平；对于节约国家财政支出也具有很大的现实意义。同时， 本课题的研究成果将填补国内铜箔处理设备的空白，带来很可观的经济效益和 武汉理工大学硕士学位论文 社会效益。 1 2 铜箔业的国内外发展概况 1 2 1 国外发展概况 铜箔的起步源于1 9 2 2 年，美国的e d i s o n 发明了薄金属镍片箔的连续制造专 利：阴极旋转辊的下半部分通过电解液，在阴极辊表面形成金属镍箔，当辊筒 转出液面外时，就可连续剥离卷取所得到的金属镍箔【l j 。 1 9 3 7 年，美国a n a c o n d e 制铜公司利用上述专利原理，开发出工业化铜箔产 品，开创了生产电解铜箔的历史。当时并没有涉及到表面处理工艺，制造出来 的铜箔表面光整度差，易氧化，化学性能差，大量作为建材产品。 2 0 世纪6 0 年代，p c b 已经逐渐普及到电子工业的各个领域之中，铜箔的需求 量迅速增长。2 0 世纪7 0 年代，计算机技术不断应用到工业控制中，日本电解公 司和福田公司利用独自开发的连续电解铜箔技术及铜箔表面处理技术，将计算 机引入控制现场，对原有控制系统进行了大规模的改进，开始了工业化电解铜 箔的生产。1 9 6 0 年，美国的卢森堡线箔公司利用先进铜箔生产技术，采用a b b 电控设备实现了生产线控制系统生产过程的p i d 自动化和计算机监控，整个生产 工艺及配套系统为国际铜箔制造业最先进的企业之一【2 j 。 2 0 世纪8 0 年代，日本三井公司收购了美国a n a e o n d e 制铜公司，并将其生产 技术加以改造，使铜箔产量大幅度的增加，率先迈向国际化道路，进入了日本 全面称霸世界的时期。 2 0 世纪9 0 年代中期，随着国际化进程的不断深化，各国之间也开始了技术 交流，电解铜箔业迈入了多极化竞争的阶段，铜箔制造技术也进入了一个新时 期，即高性能铜箔技术。各国都致力于提高产品品种和品质，投入大量的资金 和人力设计制造先进的铜箔生产设备，开发高端的自动化控制系统。 目前国际上生产铜箔设备的有英国阿斯比诺公司、日本住友、日本不锈钢 公司，这三家公司在控制系统开发技术上已非常成熟，如日本住友、美国耶兹 公司等国际知名公司研究开发的控制系统已经达到了很高的水平【3 】。尤其是日本 一些公司的铜箔生产设备和控制系统已经形成了一定的出口规模。 1 2 2 国内发展概况 2 0 世纪6 0 年代初，我国的本溪合金厂、西北铜加工厂、上海冶炼厂在引进、 2 武汉理工大学硕士学位论文 学习、吸收国外先进技术的基础上，自行研制成功我国第一张电解铜箔。8 0 年 代初，中国大陆的铜箔业实现了电解铜箔的阴极化表面粗化处理技术，使国内 铜箔处理技术得到了飞跃性的进步【引。 2 0 世纪9 0 年代中后期，由于实施技术改造，加强与国外铜箔企业交流与合 作，或引进国外先进的铜箔生产技术与设备图纸，或全套引进国外技术装备， 或与国外企业合作经营，使电解铜箔产量规模迅速扩大，质量明显提高，从而 我国的电解铜箔生产迈上了新台阶。 目前，我国生产铜箔的质量与品种同发达国家与地区相比仍存在很大差距， 这种差距主要表现在以下几个方面【3 j ： ( 1 ) 品种单一：只能从事技术含量较低的常规电解铜箔生产，高附加值、 高技术含量产品无法生产。 ( 2 ) 质量一致性差：由于受工艺人工因素、设备水平精度等影响，其档次 只能处于中低档水平。 ( 3 ) 研发能力低下：目前只有少数企业进行模仿性产品开发，鲜有中国企 业在全球首先推出电解铜箔新品种。 ( 4 ) 开发投入不足：电解铜箔是技术密集型产品，对于新产品、新工艺的 研发投入难以满足国内生产企业的需求。 ( 5 ) 国内装备配套能力不足：高档电解铜箔生产装置制造涉及到精密机械、 自动化、化学、电化学、材料学等学科，国内电解铜箔设备制造企业很难综合 这些学科的成就，造出符合电解铜箔生产企业需求的电解铜箔专有装置。 ( 6 ) 国外对高档电解铜箔技术出口采取封锁政策：发达国家不但禁止高档 电解铜箔工艺技术出口，而且禁止高档电解铜箔生产设备技术出口。 目前，国内专业生产后处理设备的厂家几乎没有，由于后处理机设备的控 制要求很高，目前市场上采用的大部分是成套进口产品。国内从事铜箔控制系 统研究的厂家、公司也较少，主要有深圳市联诚自动化技术有限公司、陕西科 技大学等单位，他们开发的控制系统虽然得到部分应用，但是这些传统的控制 系统大多采用控制柜上的拨码开关、按钮、指示灯和显示仪表等监视生产过程， 并由工作人员视情况由按钮实现对生产过程的控制，接线错综复杂，人机对话 方式显得较为单一，操作繁琐，导致生产效率低、可靠性差。 1 3 后处理工艺简介 铜箔生产的关键设备包括生箔机和后处理机，生箔机的主要作用是通过电 武汉理工大学硕士学位论文 解过程完成原箔的制造，而后处理机主要完成原箔的表面处理，即粗化层处理、 耐热层处理及防氧化层处理等，具体来说，铜箔表面处理的工艺过程如图1 1 所 示。 图1 1 铜箔表面处理工艺 预处理是对原箔表面进行清洗，去除氧化及对表面进行浸蚀；粗化处理是 使毛面的粗糙度和表面积大大增加，便于加强环氧树脂和铜箔的结合；耐热层 处理是在毛面上电镀一层金属，以提高铜箔压制覆铜板及多层板后的耐热性及 高温抗剥强度；抗氧化处理是电镀一层防氧化金属膜，防止铜箔在储存、运输 和压板过程中发生氧化而变色；烘干的目的是烘干去除铜箔表面的水分，防止 残留水分对铜箔的危害l l j 。 对于不同厚度和不同用途的铜箔，表面要求也不同，表面处理所用到的电 解液和处理时间会有所差异，即处理速度会因所生产铜箔类型的不同而改变。 且处理速度在整个过程中应该保持稳定，波动过大就会影响铜箔表面的物理和 化学性能。在后处理过程中，铜箔的放卷和收卷是两道关键的工序，在此过程 中由于卷筒的半径随时变化，如果要保证处理的线速度恒定，就必须根据实时 半径不断调整卷筒的旋转角速度。 另一方面，在处理的过程中，张力也是一个至关重要的影响因素，张力过 大可能使铜箔撕裂或者产生塑性变形，影响产品质量；而张力过小则可能引起 铜箔起皱和材质的不均匀，降低其质量。而张力和处理速度之间存在强耦合关 系，张力是材料在受n j i , 力作用时的内应力，一旦速度发生微小的抖动，必将 引起张力的变化，反之，张力的变化也会影响速度。 再者，根据处理速度的不同，烘干温度也要求不同。一般以不低于1 0 0 为 原则，也有达到2 0 0 甚至3 0 0 以上的。原则上应完全彻底去除铜箔表面水分， 又不能因温度过高而伤害铜箔。 综合起来看，保证铜箔质量的关键就是要保证处理过程中的速度、张力和 烘干温度恒定，本课题就是围绕着这三项指标进行控制系统优化设计的。 1 4 我国后处理机存在的问题 近年来，虽然我国不断学习和吸收国外先进技术，使铜箔后处理技术取得 了很大的进步，但就生产控制技术而言，我国目前的生产工艺技术过于简单和 4 武汉理工大学硕士学位论文 粗放，电气控制技术与国外先进技术相比，尚有很大差距，具体表现在以下三 个方面【2 ，3 1 ： ( 1 ) 张力控制手段落后，无法与国际接轨。铜箔后处理控制系统中最关键 的控制项目就是保持速度和张力的恒定。目前国内铜箔生产过程的张力控制手 段非常落后，有些厂家采用摩擦的方式来保持张力恒定，导致铜箔在生产的过 程中容易出现皱折；而国际上普遍采用先进的张力控制装置。国内也有一些企 业直接利用张力控制器，该张力控制器价格较贵，这种专用的张力控制装置成 本较高，而且在某些方面还不能很好的满足实际要求。 ( 2 ) 无防跑偏装置。国内几乎都未采用防跑偏装置，因此，国内铜箔生产， 特别是铜箔的表面处理过程很容易出现跑偏和皱折；而国际上普遍采用防跑偏 自动控制装置。 ( 3 ) 控制自动化程度不够。国内控制系统，大多采用控制柜上的拨码开关、 按钮、指示灯和显示仪表等监视生产过程，并由工作人员视情况由按钮实现对 生产过程的控制，严重影响了生产的效率和安全性。国外已经较早地引进了计 算机监控技术。 传统的后处理机控制系统以p l c 为核心，但在实际应用与发展中，工程师们 发现p l c 的人机对话方式单一，交互性差1 4 】。近年来，出现了具有人性化的人机 交互界面触摸屏，这样，可以通过触摸屏中的模拟动画显示，更方便详细 地了解生产动态，另外，用手指轻轻触摸一下屏中的按钮，就可以将控制信息 传送到生产设备中【5 1 。工程技术人员也不需要为控制系统设计、加工、安装、接 线、调试操作面板，且在进行技术改造时，不需要重装操作面板，只要对触摸 屏中的画面程序进行修改即可。 因此，在p l c 控制系统中引入触摸屏作为人机交互界面已经发展成为工业控 制领域的潮流。目前p l c 已经广泛应用于机床、纺织、纸张、印刷等生产线中， 获得了非常可观的经济效益【6 】o 随着计算机控制技术的发展，而基于p l c 和触摸 屏的控制系统也将逐渐深入到了工业生产的各个领域，成为工业控制的主流。 1 5 论文的研究内容及结构安排 后处理机要保证生产的连续性和产品的质量，需要使处理速度、张力及烘 箱温度保持恒定。本课题研究的主要内容是根据后处理机的工艺原理和技术要 求，分析铜箔后处理的动态过程，制定控制策略，完成硬件设计，并对控制系 统进行建模和仿真分析，最后设计系统软件，进行现场安装调试，从而完成后 武汉理工大学硕士学位论文 处理机控制系统的整体设计。本文的结构安排如下： 第一章阐述课题的来源和研究意义，分析铜箔业的国内外研究现状，对后 处理工艺进行简单介绍和分析，总结出我国后处理机存在的一些问题，提出本 文主要研究内容。 第二章从后处理机的工艺原理和技术指标出发，分析处理过程的受力情况， 找出张力的影响因素，制定张力和速度的解耦控制策略；以p i d 控制为基础，研 究p i d 改进算法及参数整定方法。完成后处理机控制系统硬件构架的设计。 第三章研究变频调速系统、张力控制系统的数学模型，进行仿真分析，提 出相关p i d 参数的整定方法。 第四章根据后处理机控制系统具体技术指标，编写p l c 控制实现程序，并 密切结合p l c 控制程序和生产实际，设计相应的触摸屏画面。 第五章完成后处理机控制系统的组装和调试。 第六章对本文在课题中所做的工作做一个全面的总结和展望。 6 武祝理工大学硕士学位论文 第2 章后处理机系统控制方案研究 21 后处理机系统简介 由生箔机生产出来的铜箔( 通常称为原箔) 在形成产品之前，必须经过特 定的表面处理工序，其机械设备为后处理机，后处理机的主要作用就是对原箔 进行表面处理 21 1 后处理机的工艺原理 后处理机的基本工序包括清洗、电镀、烘干等表面处理。其工艺原理如图 2 - 2 所示。在后处理开始前，将经生箔机生产出来的铜箔卷安装在放卷辊上，由 人工牵引锅箔经过五个制液槽和烘箱最后缠绕到收卷辊上。其中制液槽分别盛 有清水和电解溶液，对铜箔表面进行清洗和电镀：烘箱用于将铜箔表面的水分 蒸干便于收卷。另外，在制液槽导电辊的压制辊上安装有光电检测器件，以检 测压制辊的位置，防止在处理的过程中发生铜箔上下振动，因此开始正常工作 前必须调整压制辊的位置，使之以一定的压力作用到铜箔表面。 在后处理的过程中放卷辊没有电机驱动，而是在铜箔张力的作用下被动 转动放卷且放卷辊上安装有两个磁粉制动器，用以调节放卷转矩，产生开卷 阻尼动力，不至于处理速度过高时放卷辊因惯性过大而发生“脱缰”现象，同 时也用以实现停机时的制动。由于铜箔传送距离较长也带来了张力损失的问题， 为实现铜箔张力的补偿，在5 个制液槽的驱动辊上增加了电机驱动，5 个驱动辊 武汉理工大学硕士学位论文 由一个电机驱动，通过传动机构以相同的转速转动。在清洗槽的末端，设置有 烘干箱，烘干箱由6 组石英管分区加热，并有一组抽风机，不断将烘干箱内的 热水汽抽出。在烘干箱外设置有两个冷风机，以快速冷却铜箔。收卷辊在收卷 电机驱动下旋转，打卷传送来的铜箔。 抽风机 收卷电机 图2 - 2 后处理机工艺原理图 2 1 2 控制系统的技术指标 为了保证铜箔质量，必须使控制系统按照生产的工艺要求工作，控制系统 要求在恒速和恒张力要求下，后处理机才能实现铜箔的连续放卷和收卷。另外， 在五个制液区和烘干箱需要进行温度的闭环调节和控制。后处理机在生产运行 中，有多种工艺量、状态需要监测：同时，出现故障或紧急情况时，能及时进 行相应的处理。其与控制系统设计有关的工艺参数如表2 1 所示。 后处理机控制系统的技术指标如下： ( 1 ) 处理速度。处理机工艺速度要求在3 1 5 m m i n 可调，且要求处理过 程中保持恒定的线速度。收卷辊上的铜箔卷径不断增大，要保持铜箔传送速度 恒定，则需要调节收卷辊的转速，使之与铜箔卷径的乘积保持恒定。另外，由 于后处理机工作距离较长，铜箔传送时张力损失较大，为补偿张力损失并起到 牵引和夹送铜箔的作用，后处理机设置有驱动电机。驱动辊的半径为常数，驱 武汉理工大学硕士学位论文 动电机的输出转速应保持恒定。 表2 1 后处理机工艺参数 类别项目参数值备注 收卷直径( m m ) 6 5 0 收卷速度( m m i n ) 3 1 5 可设定 收卷参数 收卷辊卷径( h u n ) l o o 驱动功率( k w ) 1 5 5 交流变频电机 放卷辊卷径( m m ) 1 0 0 放卷参数 放卷最大重量( k g ) 5 5 0 夹送参数驱动功率( k w )5 5交流变频电机 温度( )常温 - - 3 5 0 士5 烘干箱参数 加热总功率( k w ) 5 0 张力( k g ) 2 0 6 0 可设定 铜箔参数厚度( m m )由工艺定 宽度( m r n ) 5 5 0 ( 2 ) 张力。后处理机只有一个驱动源，收卷辊为主动辊，放卷辊为受动辊。 理论上，收卷辊和放卷辊之间的铜箔线速度应相等，铜箔张力来自于收卷辊的 主动力矩和放卷辊的阻力矩。可知，铜箔张力的控制实质上是放卷辊阻力矩和 收卷辊主动力矩的控制。由于放卷辊和收卷辊上铜箔的卷径不断变化，要维持 恒定的铜箔张力，两种力矩的大小均应做出相应调解。 ( 3 ) 温度。烘干箱采用分组的石英管加热，烘干箱的温度要求被控制在合 适的范围内，温度的精度要求为士5 ；后处理机有4 处制液区，这些区域内的 温度需要加以控制，温度的精度要求为士2 。 ( 4 ) 状态监测。要求面板显示实时线速度、收放卷张力、收卷计米数、制 液槽和烘干箱温度等主要工艺参数。 ( 5 ) 连锁及报警。张力、压制辊和开关电源连锁，张力为0 自动停开关电 源，压制辊不到位开关电源不应开启；要求有断箔检测( 即张力为0 时报警) 和其他的故障报警及处理。 ( 6 ) 纠偏控制。铜箔长距离传送时难免出现跑偏，不利于铜箔的收卷，因 此，有必要进行纠偏。通过纠偏使铜箔沿收卷辊或放卷辊轴向回到正常的位置。 从后处理机的工艺原理和技术指标看，控制系统最关键的就是要保证处理过 程中的速度、张力恒定，另外就是保证烘箱的温度恒定。在运行时，铜箔的卷 绕要靠一定的牵引力，为便于处理需要维持定的速度，而在运行的过程中速 9 武汉理工大学硕士学位论文 度通常会变化，速度的变化必将引起张力的变化，反之张力变化也会影响速度， 因此速度和张力是耦合的。为了拟定合理、切实可行的后处理机控制方案，以 下对张力控制策略进行了具体的分析和研究。 2 2 张力控制方案研究 根据上述的技术指标要求，对张力控制的特点、方式进行研究，通过分析 处理过程中铜箔的受力情况，确定张力控制策略。 2 2 1 张力控制方式 张力是影响铜箔质量的主要因素之一。由于铜箔较薄，张力过大时会导致铜 箔内部组织结构发生本质变化甚至断裂：张力过小会在处理的过程中出现“褶 皱 ，也会直接影响产品质量【丌。对于卷绕机械的张力控制而言，都具有动力模 型变化大、强耦合性、多干扰三个突出的特点【8 】。张力控制的特点可以说就是 张力控制的难点，目前国内的张力控制方法比较落后，甚至还有些厂家还利用 摩擦轮实现张力控制。结合国内外的张力控制技术看，实际生产中，收放卷张 力控制方式主要有三种 9 1 ： ( 1 ) 间接张力控制法。无张力检测元件，对张力的控制是通过对卷取机构 的物理方程进行静态、动态分析，从中找出影响张力的所有电气物理量，对这 些物理量进行控制，达到恒张力控制的目的。即通过控制张力执行部件的激励 电流、磁场等电器参数来动态补偿现场的干扰量。采用这种方法，电动机通过 减速机构输出控制卷轴的卷取速度，卷取速度快，相应地张力就大；卷取速度 慢，张力就小。当电机旋转稳定时，力矩达到动态平衡，但是在卷取的过程中， 力矩是一个与卷绕速度和卷径相关的量，需借助于一定的检测设备，检测出扭 转角速度或者卷径，作为主要扰动量，采用扰动补偿控制方法实现恒张力。 间接张力控制法的控制精度主要取决于卷径值和角速度值的测量精度，任 何扰动也只有通过激磁电流的调节环节进行补偿。但是，对于电机空载损耗和 动态转矩引起的扰动，却没有办法进行补偿，且控制方式更为复杂，控制精度 低，存在稳态误差，因而限制了间接张力控制在精度要求高、容量较大场合的 应用。 ( 2 ) 直接张力控制。直接张力控制就是安装张力检测仪，通过实际测量运 行过程中的张力值，将铜箔张力转化成张力辊的压力，压力传感器的输出信号 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 输入到p l c ，作为实际张力的反馈值，反馈值和张力设定值经p l c 内部比较后 控制电机的转速，使实际张力保持恒定。由于张力传感器几乎没有可移动的位 置空间，因而对铜箔张力的缓冲很小，且张力控制的快速性很好。 直接张力控制方法包括闭环速度修正方式和闭环力矩修正方式。 闭环速度修正方式的传动采用速度控制方式，速度给定来自于运行速度基 准。张力控制器采用p i d 调节器，对设定张力和张力实际值的差值进行p i d 调 节控制，张力调节器的输出作为速度基准的附加基准，共同参与对电机速度的 控制，速度基准由运行速度和卷取卷径确定。需要编程实现系统惯性补偿，以 改善动态控制性能。基本的控制框图如图2 3 所示。 图2 3闭环速度修正方式框图 闭环力矩修正方式的传动采用力矩控制方式，力矩基准根据张力设定值和 卷径计算得出。张力调节器的输出作为辅助的力矩基准，共同作用控制卷筒的 实际张力，维持铜箔表面的张力恒定。具体的执行器件是磁粉制动器或离合器。 闭环力矩修正方式控制精度高，可以实现无稳态误差，主要应用于需要快速的 动态响应，进行高精度控制的场合。基本的控制框图如图2 - 4 所示。 图2 - 4 闭环力矩修正方式框图 ( 3 ) 复合恒张力控制。复合张力控制是直接和间接控制的结合，即在间 接张力控制的基础上，增加一个张力闭环，形成三环控制系统。这种方式虽然 具有上述两种控制方式的优点，但是投资成本大、控制方式更为复杂，另外这 种控制系统还有很多不完善的地方。 武汉理工大学硕士学位论文 只有充分了解影响张力控制的各种因素，才能拟定控制张力最实际和最有 效的方案。为了找出张力的影响因素，下面对处理过程的受力情况进行了分析。 2 2 2 处理过程的受力分析 为了定性分析张力的影响因素，简化张力系统，本节以放卷动态过程为例， 建立如图2 5 所示的物理模型来进行放卷系统的动态分析，阐述张力和速度的耦 合关系【7 7 1 。 图2 5 张力简化模型 在图2 5 所示的系统中，当辊芯匀速运转时，根据扭矩平衡公式： f r t = 砌 ( 2 - 1 ) 当卷筒受到干扰时，速度和张力发生变化时产生加速度，得到动态平衡方 程： 职一t ：肋+ ，一d o ) ( 2 2 ) d t 结合上面的三式可得： d o r + b o ) + j f ：一 ( 2 3 ) r 其中f 为张力，r 为卷筒的实时半径，r 为控制转矩，为摩擦阻尼系数， ( - o 为转速，为卷筒的转动惯量，由( 2 1 ) 式可知系统在匀速状态下张力与扭 矩r 、速度国成线性关系，只需保持丁+ 触随半径r 成比例变化即可保证张力 稳定，比较容易控制。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 在动态过程中，由式( 2 3 ) 可知，此时影响张力变化的因素增多，并且是 非线性变化，其中惯量，、速度、加速度d e o d t 、半径r 都对张力产生了影 响，增大了系统的控制难度。以下分项讨论。由于卷筒绕完一周需要一定的时 间，故可将半径尺在一段时间内看作定值，假设j 值稳定，先讨论速度对张力的 影响。求角加速度d 国d t ，设在时间增量衍内，长度增加刃，半径增加积，铜 箔厚度为h ，运行线速度为，则收卷辊端面面积增量为 d s = d l xh = 2 x r d r = v h d t ，即积d t = v h 2 z r r 根据圆周运动角速度公式国= v 尺，则有： 塑：塑竺：一二旦：一旦( 2 4 ) 一= 一一= 一一一= 一一 iz 一斗j 衍积d t r 22 万r2 x r 3 式( 2 4 ) 代入式( 2 2 ) 可得： ，2 厅 ，r t = 一j + f l v r 2 石r 3 ( 2 5 ) 式中，：一1 加r ：三石r h p ( p 为占积率) ，代入上式得到 22 ：三一二j i 2 1 ，2 + v(2f p 2 6 )= j i 1 ，+ v( 6 ) r4 上式为当速度和张力开环控制时，张力，与线速度v 2 间的关系式。此式表 明，当其他条件不变时，后处理的线速度增大则其张力也增大，反之亦然，但 二者的影响大小不一样，即两个控制量之间的相互影响又是不对称的，线速度 对张力的作用远大于张力对线速度的影响，每当速度有较小的变化，都会引起 张力的较大变化。 以上的分析是在忽略半径尺的变化，并假设转动惯量值稳定的情况下。下 面继续就在尺随时间变化的情况下进一步讨论。卷绕机构在张力控制的问题上 都会遇到尺实时变化这个问题以及由此引发的其他问题，如惯量j 值的变化。 在图2 5 中，令以为辊芯的转动惯量，j 为实时转动惯量，可推导出 s o 4 ( f ) 一r 4 ) ( 2 7 ) ) = + ( f ) 一r 。) ( 2 - 7 ) 2 其中b 为铜箔的宽度，p 为铜箔的体密度，为辊芯的半径。 武汉理工大学硕士学位论文 将( 2 7 ) 式代入( 2 5 ) 式中得到 f r ( t ) - t = - ( j o + 7 r b 2 p ，( r 4 ( t ) - r ) ) 2 石v r 2 h ，鬲+ 眦) c 2 剐 可得张力表达式： f ：下 zcb_pp(r(f)_r4-2-(,io+-c) ) 上生+ ， ( 2 9 ) 肚尺( f ) 2 4 丽+ 卢v 2 - 9 6 、p 及厅为不变的参数，可设七。= x b r p ，七：= i h ，得 ，：二一( 厶+ k l ( r 4 ( f ) 一，4 ) ) 二生+ 1 ， ( 2 1 0 ) r ( ，) 。 r 4 “) 由公式( 2 1 0 ) 中可以看出，当考虑到实时半径r ( t ) 的变化和速度的变化时， 张力f 所受的影响还与卷筒初始转动惯量、初始半径及铜箔的密度有关。如果 卷筒的初始转动惯量较大并且半径较大，那么张力受实时半径尺( ，) 变化的影响 相对要小，而速度对张力的影响仍然比较大。 通过以上对处理过程进行的受力分析，知道对于卷绕机构的张力控制系统， 半径的变化和速度的干扰是影响张力控制最主要的因素。因此在设计张力控制 系统时应该着重考虑对半径的鲁棒以及克服速度冲击带来的干扰。 2 2 3 张力和速度解耦控制策略 基于以上对收卷过程的受力分析得知，张力与速度之间存在着强耦合的非线 性关系，要实现两者的控制，最切实可行的就是将两者进行解耦，即对张力和 速度分别进行闭环控制，通过不同的执行设备来实现，从而共同作用于被控对 象( 这里指收卷辊) ，这就是本课题研究的张力和速度解耦控制策略。根据上一 节中介绍的张力控制方式，比较起来，选用间接控制法中的闭环力矩修正方式， 具体的实现框图如图2 6 所示。 图2 - 6 所示的框图中包括两个闭环，一个是速度闭环，即以编码器的输出检 测收卷辊的实时角速度，与实时卷径结合计算出实时线速度作为反馈值，经p i d 调节器后控制变频器，作用于收卷电机从而保持处理速度恒定；另外一个是张 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 力闭环，即通过张力传感器反馈实时张力值，经张力调节器后，结合实时卷径 计算输出力矩控制磁粉制动器和离合器，作用于收卷电机，从而使处理过程中 的张力保持恒定。 图2 - 6 张力和速度的解耦控制框图 2 3pid 控制策略研究 在工业生产过程中，常常需要用闭环控制方式来控制温度、压力、流量、 液位和速度等连续变化的模拟量。应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积 分、微分控制，简称p i d 控制。数字p i d 控制具有不需要被控对象的数学模型、 结构简单、容易实现、有较强的灵活性和适应性、使用方便等优点，在各行业 中得到了广泛的应用。据有关人士估计，现在有9 0 以上得闭环控制采用p i d 控制器。 2 3 1pid 控制的实现方法 在p i d 控制器中，p 为增益，作用是放大误差，使系统响应速度加快，但同 时给系统带来了振荡，甚至导致系统不稳定：i 为积分，其主要目的是消除系统 的静差，使系统稳态误差为零，提高系统控制精度和抗外界干扰能力；d 为微分， 由于微分的超前作用可以提高系统动态响应品质，使系统响应速度加快同时超 调减小，用于克服系统的惯性滞后，提高系统