薄膜拉伸用的静电吸附装置控制系统研究

薄膜拉伸用的静电吸附装置控制系统研究
介绍了静电吸附装置在薄膜拉伸领域的应用，静电吸附系统的原理和重要性。

重点介绍了静电吸附控制系统的组成，控制系统主要功能的实现方法。

通过改进，让静电吸附装置在薄膜拉伸领域稳定的应用起来。

标签：静电吸附装置;薄膜拉伸;控制系统
2、静电吸附装置在薄膜拉伸领域的应用
2.1、静电吸附装置的优点
静电吸附装置在薄膜拉伸领域中有很大的作用，主要适用于生产BOPET和BOPA等材料的拉伸工艺。

其主要作用就是在挤出系统和铸片系统工作的时候，保证铸片和冷却辊很好的帖附不分离，防止在冷却辊快速运转的时候进入空气，防止因为进入空气影响传热、冷却的效果。

静电吸附装置的工作原理主要是利用静电丝或者静电带的两个电极和高电压产生静电磁场，根据不同磁极相互吸引的原理，让薄膜能够和冷却辊紧密贴合在一起，有效排除薄膜中的空气，让其均匀冷却。

2.2 吸附系统的工作原理和重要性
静电吸附系统依据库伦定律（两个静止的带电粒子间的相互作用力）和洛伦兹定律（运动的电和在磁场中受的力），利用电磁力从而实现对物体有效地吸附。

静电吸附控制主机通过将直流电压经过增压、滤波及倍压处理，转化为高压静电，静电高压经过静电吸附单元（以单极或双电极输入模式）形成静电磁场，从而对物体（导体或非导体机制）进行静电吸附。

①静电丝两侧施加高压电源，接近它时会形成电晕式的放电.
②发生的（+）电离子向阴极的薄膜侧移动（放电）使薄膜表面得到吸附.
③冷却轮端要进行良好接地，负（-）电荷被与设备大地相连，两者间以库仑（Coulomb）效应为依据，将薄膜紧紧地贴附在冷却轮上.
静电吸附系统的重要性体现在：
静电吸附系统使得薄膜和冷辊之间的吸附能力加强，薄膜表面外观和产品品质得到改善，厚度均匀性好，横向拉伸时薄膜破膜次数减少，同时冷却轮回转速度可到达130m/min，大大提高生产线产量。

对于静电吸附装置来说，为了不让电极丝在薄膜生产的过程中吸附原材料，
所以需要将静电丝变成按一定速度运动的电极丝，并进行实时的更新。

静电吸附装置主要包括了电极丝、高压传输器、调节器和控制系统等元件。

3、静电吸附装置控制系统的简介
静电吸附控制系统主要由收丝系统、放丝系统、滑台移动系统和触摸屏等组成。

该系统可以通过高压直流电源使静电丝带电并产生离子，使得膜片均匀地贴附在铸片辊表面。

网络拓扑图：
3.1本系统主要有以下几个基本结构
操作面板：该部分供操作者控制各项功能并监控系统当前状态。

滑台平台：可以进行前后方向移动，前后方向行程位1000mm。

通过增量式编码器实现绝对位置控制。

收丝系统：收丝电机缓慢运行，将静电丝缠绕在收丝盘上。

内置的张力传感器实时反馈张力，实现按设定的张力值恒张力收丝。

装置通过计算收丝电机轴旋转的圈电。

3.2 静电吸附控制系统配置
控制系统组成：控制器CPU 1212C ，PS 24V DC 型号6ES7212-1AE40-0XB0;
模拟量输出模块Analog output 2 AO; 14-bit 型号6ES7954-8LE03-0AA0;
触摸屏KTP700 Basic 型号6A V2123-2GB03-0AX0;数，计算出已使用的静电丝长度。

放丝系统：释放静电丝，配合收丝系统调节张力。

内置的长度测量——护管伸缩装置。

通过齿轮齿条结构调节护管伸出长度，确保静电丝不会与铸片辊边缘部分产生放
电源SITOP PSU100L，1-phase，24 V DC/5 A 型号6EP1333-1LB00。

放丝部分：采用HB型磁滞制动器。

磁滞制动器涵盖了很大范围的扭矩、转速、功率量测范围，可以在任一转速点，包括低转速和零转速时提供扭矩输出。

滑台横移：电机选用西门子V90驱动器，单相200v（0.4kw），6SL3210-5FB10-4UF1。

电机扭矩2.4NM ，电机额定转速3000RPM，安装尺寸80mm，电机型号：1FL6034-2AF21-1AA1。

收丝电机：选用V90驱动器，单相200v（0.4kw），电机扭矩0.16NM，电机额定转速3000RPM。

减速机选用PS40-32，安装尺寸40mm，输出扭矩达到8NM，采用速度控制方式，电机型号：1FL6024-2AF21-1AA1。

4静电吸附系统主要功能的实现
4.1放丝系统的实现
装置中静电丝正常工作时要保持一定的张力，让铸片和静电丝的位置保持固定不变。

静电丝正常情况下应该处于恒张力控制，不能因张力过大或者过小影响静电吸附效果，因此静电丝的松紧程度非常重要。

在经典放丝系统中使用伺服电机进行放丝，采用力矩控制。

由于实际工作中电机速度很低、在低频下工作，避免不了电机波动的情况，会造成静电丝的张力控制稳定难度很大。

根据这种情况，采用了自动化的调节设备—磁滞自动张力阻尼器这个设备免去了张力波动的因素，只需要设定好张力的大小，就会通过电流的大小来进行自动调节。

改阻尼装置能够保证静电丝正常运行，还能够保持工作中平稳的张力。

磁滞制动器是一种优越的扭矩、张力控制部件。

它利用磁滞原理，通过控制输入的励磁电流，产生一定的扭矩。

控制电流和输出扭矩有较好的线性关系。

它能提供光滑、无级可调、与转速无关的转矩控制。

除了轴承以外，系统内无其他摩擦，具有稳定可靠、使用转速高噪音小、使用寿命长，维护成本低等优点。

磁滞制动器由转子和定子磁极两大部分组成。

转子由特殊的磁滞材质制成，定子磁极中有一定的间隙，转子在间隙中转动。

当线圈通电时，间隙中产生磁场，使转子产生磁滞效应。

当磁滞转子在外力作用下克服磁滞力轉动时，产生额定的扭矩。

扭矩仅与激磁电流大小有关，与转速无关，实现非接触的扭矩传输。

下图所示的是磁滞制动器的典型结构图。

扭矩和励磁电流的关系几乎成正比，所以通过调整电流就能很容易的调整扭矩。

4.2加热控制系统实现
在制造双向拉伸薄膜（比如BOPA，BOPET）的时候，在模唇位置往往容易出现低聚物的累积。

为防止产生的低聚物对薄膜质量产生影响，为用模头排风风机及时把周围的空气往上方排出。

此时挥发的低聚物会对静电丝造成污染，进而影响静电吸附和冷辊的贴附效果。

为解决这一问题，我们开发了一款带加热功能的静电吸附装置，通过耐20KV的隔离变压器对交直流电源进行隔离。

工作中静电吸附产生的电压采用0-15KV直流电，静电丝加热采用110V交流电。

改装置可以输出高压和静电丝加热同时进行，互不影响。

静电丝通过加热，表面有了一定的温度，可以保证吸附在静电丝表面的低聚物能够及时挥发掉，保证静电丝始终处于洁净状态，同时增加静电丝的使用寿命。

静电丝加热采用法国Celudc品牌的SO465620固态继电器。

采用PWM输入信号控制改固态继电器的相位角，输入控制信号为4-20ma，输出负载电压0-110V AC可调。

4.3 恒张力控制系统实现
对于静电丝来说，不仅要对静电进行释放，同时静电丝还得不断运动，实时使用新的静电丝工作。

由于长期对静电丝进行缠绕，需要对静电丝的排线和恒张力控制功能提出更高要求。

否则很容易造成静电丝放电不稳定，击穿薄膜。

为保证静电丝在收丝轮上能够排列整齐，实现静电丝的张力稳定，我们采用西门子博图软件自带的对具有比例作用的执行器进行集成调节的PID 控制器。

PID_Compact是一种具有抗积分饱和功能并且能够对比例作用和微分作用进行加权的PIDT1 控制器。

PID 算法根据以下公式工作：
PID方框图：
给系统设定一个目标张力，根据内置的张力传感器反馈出张力实际值，通过PID计算实时调整磁滞制动器的励磁电流，改励磁电流叠加到磁滞制动器的初始電流上，共同实现按设定的张力值进行恒张力收丝。

4、结束语
对于薄膜拉伸工艺来说，静电吸附装置起到了首当其冲的作用。

本文作者根据自身的工作经验和双向拉伸工艺要求设计了静电吸附控制系统，同时又针对静电吸附装置主要控制功能的实现进行了主要介绍。

作者希望通过这篇文章给相关的工程师们一些参考，在今后对拉伸生产线中的静电吸附装置改造能够有所借鉴，保证静电吸附系统能够稳定运行。

参考文献：
[1]刘超，吴长虎，吴群英.空气净化静电吸附装置的研制及应用[J].石油工程建设，2017，43（06）：56-58.
[2]梁宏宝，张德胜，娄燕敏，马铭，陈洪涛，王鸿宇，蒋东来.基于静电吸附技术对废润滑油净化再生[J].环境工程学报，2017，11（08）：4893-4896.
[3]钟庆华，杨正昊.聚酯薄膜生产线静电吸附系统影响因素分析[J].电工材料，2014（01）：15-18.
作者简介：张宏展（1981-），男（汉族），河南南阳邓州人，电气工程师，从事双向拉伸薄膜生产线电气控制系统的研究。