薄膜卷取恒线速度及恒张力控制系统.doc

薄膜卷取恒线速度及恒张力控制系统 阅览次数：5358 作者：刘 亭 单位：北京航空航天大学 荣获“2004年度工控及自动化领域优秀论文”有奖评选 三等奖【专家点评】：由于吹塑薄膜挤出机生产线上的牵引电机和卷取电机实现协调控制后可使卷取电机的转速能跟随牵引电机的转速，从而可实现薄膜正常卷取。论文作者找出了形成薄膜厚度不均的问题所在，成功地解决了用翻转架电机转速实现PI的闭环控制并以卷取电机转速和张力作为校正信号，从而改善了系统的动态和静态特性，避免因牵引速度和卷取速度不同步造成薄膜厚度不均的弊端。该系统对类似系统的电机速度控制改善产品质量有参考价值。【作者心得】：中国工控网和中国自动化学会主办的这次征文活动为我们提供了一个自由的学术交流平台。首先向中国工控网和中国自动化学会表示由衷的感谢！同时非常感谢各位专家以及自动化界的朋友对我的支持！本文是对本人的硕士论文薄膜牵引和卷取同步控制研究的部分总结，“薄膜牵引和卷取同步控制”本质上是“薄膜卷取恒线速度及恒张力控制”，因而这篇投稿取名为薄膜卷取恒线速度及恒张力控制系统，希望能和大家一起交流，当然有些部分还需要继续深入研究和进一步开展工作。1 引 言在吹塑薄膜挤出机生产线上，薄膜卷取是一道非常重要的工序。收卷质量对塑料薄膜的二次加工至关重要。对于薄而易变形的薄膜卷取来说，一个重要的问题就是，在正常卷取和翻转架翻转过程中，要实现薄膜牵引和卷取的恒线速度及恒张力控制。一种较好的解决方案是，在建立正常卷取和翻转过程牵引和卷取的恒线速度及恒张力控制方案的基础上，构成由计算机、可编程控制器、变频器等组成的硬件系统，并进行相应的软件设计，以实现计算机对可编程控制器的监控，从而实现正常卷取和翻转过程中牵引和卷取的恒线速度及恒张力控制。2 方案设计生产线中的薄膜线速度和张力的调节可以通过牵引电机、卷取电机和翻转架电机的转速和转矩的调节来反映。本文将线速度作为主控制变量，进行综合控制。1.1 正常卷取过程分析对不同的卷绕过程，薄膜的张力 和线速度v随薄膜的材质、规格、厚度、冷却温度及卷径比等因素的不同而不同。而在同一卷取过程中，要求线速度v恒定，显然随着卷绕直径D的逐渐增大要求卷轴转速 成反比例地减少；另一方面，又要求薄膜的张力 恒定1。因此，作用在卷轴上的负载转矩T将正比于卷绕直径D。总之，卷绕过程中要求恒线速度、恒张力传动即恒功率传动。由于卷取辊在卷取薄膜时，其卷绕直径D是逐渐增大的，在牵引速度恒定不变的情况下，要维持卷取张力不变，必须使卷取辊的转速随卷绕直径的增大而降低，即保持卷取线速度不变2。1.2 翻转过程中卷取电机的调速规律翻转架翻转时，薄膜的线速度是膜卷切入处的卷取切向速度和翻转切向速度的矢量和，如图1所示。也就是说，薄膜的卷取线速度已经不再等于薄膜的线速度，如果此时不对卷取线速度加以修正，势必影响薄膜线速度控制的稳定性和准确性，进而造成卷取初始时刻出现较大的超调。因此，对翻转过程中卷取电机的调速规律进行分析是非常必要。根据图1可知，卷取电机此时的期望转速 (r/s )应为：式中： 为 与 的相角差。可见， 除了随卷径D变化而变化外，还随翻转线速度 和 变化而变化。设翻转引起的卷取线速度变化量为 ，则通过编写VB6.0程序，可绘制 随翻转架对右向水平轴的相角 变化的曲线如图2所示。1.3 恒线速度和恒张力控制系统的建立为了满足正常卷取恒线速度、恒张力同步传动即恒功率传动1和翻转过程中传动的要求，控制系统设计如下所述。由薄膜的厚度H(m)、卷取电机轴转过的圈数N、膜卷的初始直径D0(m)和卷取电机到卷轴的传动比 ，可实时计算出卷径：D(m)=2NH/i+D0(3)为了镇定系统的张力，对张力的控制采用过程调节（PI调节）。设张力设定值和张力反馈值之差经过程调节对速度的影响为 (m/s)，则有：牵引电机转子角频率 (rad/s)乘以此时两电机的传动比 ，并与卷取电机转子角频率相比较，将两者之差反馈给卷取电机定子的期望供电角频率。由此可以完成在设定线速度下，卷取电机的转速随着牵引电机的转速变化而变化。显然，张力的设定和张力的反馈构成张力调节的外环，在卷取转速调节过程中加入张力调节的影响，来满足正常卷取和翻转过程恒线速度和恒张力控制的要求。当翻转过程引起的 绝对值变化较大时，会增大系统的稳态偏差，加大系统的超调量。张力变化较大时，张力反馈使得 变化较大，从而使卷取电机定子的期望供电角频率 变化较大，同样也会增大系统的稳态偏差，加大系统的超调量。为了改善系统的动态性能和减少稳态误差，需要在卷取电机的速度控制环中添加PI调节器，以减小稳态误差和速度跟随误差，改善系统的动态和稳态性能。恒线速度及恒张力控制系统的控制框图如图3所示。3 硬件设计对于吹塑薄膜自动生产线，一方面电机的数目较多，另一方面电机分布距离一般都比较远。牵引和卷取部分的控制通过计算机为上位机、PLC为下位机，由PLC直接控制变频调速器来实现对整个系统的控制。用两台变频器分别控制牵引电机和卷取电机。两电机的轴上分别安装编码器，编码器测得的电机轴的脉冲信号送往PLC，完成牵引电机和卷取电机转速的计算和比较，从而经PLC的D/A模块控制变频器。卷径通过实时计算求出，卷径达到翻转初始时的期望值D1max时，翻转架开始旋转，利用编码器测量翻转架旋转角度，顺时针旋转180后，横向割断薄膜，使薄膜卷绕在新卷轴上，并卸下已经卷好的膜卷。张力控制由张力控制装置完成。张力控制装置由张力检测器、张力扩大器、张力控制器、功率放大器、磁粉离合器等组成。对于卷取张力的控制，张力检测器测得的张力信号，经张力扩大器扩大后送往PLC的A/D模块与设定值相比较，经PI计算后完成张力反馈的PI调节，再经PLC的D/A模块控制张力控制器，又经功率放大器放大后，控制磁粉离合器，从而控制转轴的转矩，达到控制薄膜张力的目的。对于翻转张力的控制，张力检测器测得的张力信号，经张力扩大器扩大后送往张力控制器，其控制信号经功率放大器放大后，控制磁粉离合器，从而控制转轴的转矩，达到控制薄膜张力的目的。厚度计测得的厚度信号也送往PLC的A/D模块。正常卷取和翻转过程中的薄膜卷取恒速恒张控制系统硬件构成如图4所示。编写绘制卷取电机各量变化图形的程序、卷取过程动画和实时运算的程序、翻转过程动画以和实时运算的程序。图5为卷取过程动画和实时运算界面，图6为翻转过程动画和实时运算界面。根据计算结果可以选择所需硬件型号。绘制了薄膜牵引和卷取恒速恒张控制系统主回路，编码器信号处理电路，薄膜牵引和卷取恒速恒张控制系统可编程控制器硬件接线图。4 软件设计4.1 牵引和卷取的速度同步控制牵引和卷取的速度同步控制框图如图10所示。由于ATV-18系列的变频器具有模拟量输入和内置PI调节器的功能，所以速度的PI控制只需设置变频器的相应参数即可。由PLC的速度检测指令和算术运算指令采用M法测速，计算出牵引电机转子转速 (单位：r/s)和卷取电机转子转速 (单位：r/s)，并记录卷取电机轴转过的圈数N，进而计算出卷取电机角速度 (单位：rad/s)、卷膜直径D (单位：m)。牵引电机转子转速乘以此时两电机的传动比 与卷取电机转子转速相比较，由两者之差 (单位：r/s)作为反馈量，变换成频率反馈值 (单位：Hz)，进而变换成电压反馈值 (单位：V)， 经PLC的D/A模块输出， 送给变频器2的反馈输入端AI2。在给定线速度的前提下，计算出牵引电机的期望角速度 (单位：rad/s)和期望转速 (单位：r/s)，进而计算出牵引电机的期望频率 (单位：Hz)和速度给定电压 (单位：V)。 经PLC的D/A模块输出， 送给变频器1的速度给定输入端AI1。在给定线速度的前提下，计算出卷取电机的定子的期望转速n1M(单位：r/s)，进而计算出卷取电机的定子的期望频率 (单位：Hz)和速度给定电压 (单位：V)。 经PLC的D/A模块输出， 送给变频器2的速度给定输入端AI1。4.2 卷取张力的PI控制卷取张力的PI控制采用FX2N的PID功能指令。D158存储张力设定值(SV)，D154存储张力反馈值(PV)，D280存储经PID计算后的张力输出值(MV)。当张力反馈值大于张力设定值时，M145为ON，正动作，当张力反馈值小于张力设定值时，M147为ON，反动作3，相关梯形图如图11所示。PID指令使用的是位置式输出的增量式PID算法，控制算法中使用了反馈量的一阶惯性数字滤波、不完全微分和反馈量微分等措施，使该指令比普通的PID算法具有更好的控制效果。计算公式如下3：正动作： 4.3 控制流程图薄膜牵引和卷取恒速恒张控制系统控制流程图如图12所示。图中D1max为翻转初始时的膜卷直径。4.3 梯形图利用FX-PCS/WIN-C专用编程软件编写并绘制梯形图。计算机与可编程控制器就地通信和远程通信只需对专用编程软件FX-PCS/WIN-C进行相应的设置即可4，内部通信协议见相关介绍5。利用三菱SW3D5C-LLT-C模拟仿真软件（梯形图逻辑测试工具）对梯形图进行逻辑测试。在没有FX2N-64MR-001的情况下，进行监视功能和I/O系统等的测试，模拟仿真PLC的运行情况67。5 结束语采用牵引电机、卷取电机转速的协调控制方法，使卷取电机转速跟随牵引电机转速，实现正常卷取和翻转过程转速的闭环控制。为改善控制系统的动态和稳态特性，卷取电机转速控制和张力控制都加入了PI调节器进行校正。避免了由于牵引速度和卷曲速度不同步而造成的薄膜在牵引辊上自卷或薄膜厚度达不到要求等问题，提高了正常卷取和翻转过程薄膜的收卷质量。参 考 文 献1 吕砚山主编，常用电工电子技术手册，北京，化学工业出版社，1995，12 王善勤，塑料挤出成型工艺与设备，北京，中国轻工业出版社，1998 3 MITSUBISHI ELECTRIC, The FX Series of Programmable Controller (FX0,FX0S,FX0N,FX2N,FX2NC)J, November 19994 MITSUBISHI ELECTRIC, FX-PCS-WIN-E SOFTWARE MANUALC, February 19995 MITSUBISHI ELECTRIC, MITSUBISHI. FX COMMUNICATION (RS232C，RS485) USERS MANUALC, March 2000 6 MITSUBISHI ELECTRIC, GPP Function for Windows SW3D5C-GPPW-E(V) Operating Manual7 MITSUBISHI ELECTRIC, GPP Function for