薄膜卷取恒线速度及恒张力控制系统

薄膜卷取恒线速度及恒张力控制系统

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

从而可实现薄膜正常卷取。论文作者找出了形

的闭环控制并以卷取电机转速和张力作为校正

度不同步造成薄膜厚度不均的弊端。该系统对

【作者心得】：中国工控网和中国自动化学会主办的这次征文

国自动化学会表示由衷的感谢！同时非常感谢

《薄膜牵引和卷取同步控制研究》的部分总结

制”，因而这篇投稿取名为《薄膜卷取恒线速

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

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

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

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

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

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)，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、不完全微的控制效果。计算公式如下[3]：

正动作：