基于虛擬儀器的流涎薄膜厚度測(cè)控系統(tǒng)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，薄膜在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品業(yè)和包裝業(yè)等各行各業(yè)的使用越來(lái)越廣泛，對(duì)其質(zhì)量要求也越來(lái)越高。流涎機(jī)是使用流涎法生產(chǎn)塑料薄膜的專業(yè)設(shè)備，在其生產(chǎn)過(guò)程中，薄膜厚度是相當(dāng)關(guān)鍵的參數(shù),若厚度均勻性差，會(huì)導(dǎo)致薄膜收卷后卷面出現(xiàn)箍、暴筋或凹溝等不良缺陷[1～3]。因此，厚度控制直接影響到薄膜產(chǎn)品的表觀質(zhì)量、力學(xué)性能和應(yīng)用效果等。

本文針對(duì)流涎機(jī)，運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)，開發(fā)了一套薄膜厚度測(cè)控系統(tǒng)。它以工控機(jī)為載體，將NI公司的采集板卡和控制板卡集成于其中，使用labview軟件編寫可視化的測(cè)控程序，并在其中采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法來(lái)保證厚度控制的精度。該系統(tǒng)易于構(gòu)建，性能穩(wěn)定，且具有較高的控制精度和可靠性，能有效保證薄膜厚度的控制質(zhì)量。

1 流涎薄膜的生產(chǎn)工藝流程

一臺(tái)多層共擠流涎薄膜機(jī)組的基本構(gòu)成包括：上料擠出系統(tǒng)、模頭、正負(fù)壓風(fēng)刀、流涎成型系統(tǒng)、薄膜測(cè)厚儀、電暈處理機(jī)、切邊裝置、牽引及收卷機(jī)構(gòu)等，如圖1所示。

其主要工作原理是：物料經(jīng)加熱熔融后從模具口擠出，成薄片狀流涎至輥筒上，并在流涎輥、冷卻輥上冷卻成型。成型后再經(jīng)過(guò)多級(jí)牽引機(jī)構(gòu)、薄膜測(cè)厚、電暈處理機(jī)和張力控制機(jī)構(gòu)，最后卷取成為薄膜產(chǎn)品[4,5]。

圖1 流涎薄膜工藝流程

2 厚度測(cè)控的原理

2.1 測(cè)量原理

本系統(tǒng)使用β射線傳感器來(lái)檢測(cè)薄膜厚度，把傳感器安裝在與薄膜前進(jìn)方向垂直的掃描架上，在電機(jī)的帶動(dòng)下傳感器定期巡回對(duì)薄膜作橫向掃描。因此，薄膜在前進(jìn)時(shí)，傳感器對(duì)薄膜形成“之”字型的逐點(diǎn)掃描，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜橫向和縱向同時(shí)的測(cè)量，如圖2所示。

電機(jī)上裝有編碼器，當(dāng)傳感器作橫向移動(dòng)時(shí)，通過(guò)編碼器的反饋信號(hào)，可確定所測(cè)薄膜厚度的橫向坐標(biāo)。

圖2 測(cè)量原理

2.2 控制原理

薄膜厚度的控制主要通過(guò)改變?？陂_口度來(lái)實(shí)現(xiàn)，而模口開口度則通過(guò)熱膨脹螺栓來(lái)控制。通過(guò)對(duì)?？诘囊慌艧崤蛎浡菟ㄟM(jìn)行加熱，以改變?？诘拈_口度大小。螺栓在?？谏暇鶆蚍植?，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制原理圖

根據(jù)傳感器測(cè)得的薄膜厚度和編碼器反饋得到的橫向坐標(biāo)，當(dāng)厚度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，加大電阻絲的加熱功率，螺栓膨脹使?？陂_口度減小，相應(yīng)位置薄膜變??；反之則使模口開口度增大，相應(yīng)位置薄膜變厚。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制策略

由于從加熱到?？陂_口度大小的數(shù)學(xué)關(guān)系復(fù)雜，加熱螺栓之間互相影響及其它因素的變化，薄膜厚度控制系統(tǒng)具有非線性、時(shí)變、大延誤和多變量耦合等特點(diǎn)。

針對(duì)上述特點(diǎn)，本文將每一個(gè)螺栓看成一個(gè)獨(dú)立的控制回路，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法，通過(guò)控制螺栓的加熱功率來(lái)控制薄膜厚度，保證其控制精度，其控制原理如圖4_[6]所示。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法控制器

本文采用基于BP算法的三層前饋網(wǎng)絡(luò)模型，輸入層、隱層和輸出層的結(jié)構(gòu)為3×8×3。輸入的3個(gè)節(jié)點(diǎn)分別為厚度設(shè)定值d，厚度輸出值y和誤差e，輸出的3個(gè)節(jié)點(diǎn)分別為PID的參數(shù)kp，ki，kd。輸入信號(hào)（d，e，y）從輸入層進(jìn)入后，通過(guò)隱層各節(jié)點(diǎn)的內(nèi)星權(quán)向量wij(2)得到該層的輸出信號(hào)Oi(2)；該信號(hào)向前輸入到輸出層，通過(guò)其各節(jié)點(diǎn)內(nèi)星權(quán)向量wli(3)得到該層輸出Ol(3)。反向過(guò)程是：厚度輸出值y與設(shè)定值d相比較，得到誤差信號(hào)δ0，由此可計(jì)算出輸出層權(quán)值的調(diào)整量Δwli(3)；誤差信號(hào)δ0通過(guò)隱層各節(jié)點(diǎn)的外星向量反傳至隱層各節(jié)點(diǎn)，得到隱層的誤差信號(hào)δy，由此可計(jì)算出隱層權(quán)值的調(diào)整量Δwli(2)。通過(guò)不斷調(diào)整權(quán)值，使測(cè)得的厚度不斷接近設(shè)定值。BP網(wǎng)絡(luò)的具體算法如下：

隱層的輸入輸出分別為：

輸出層的輸入輸出分別為：

輸出層節(jié)點(diǎn)的權(quán)值調(diào)整量為：

隱層節(jié)點(diǎn)的權(quán)值調(diào)整量為：

3 硬件設(shè)計(jì)

本文運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)，以工控機(jī)為載體，利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件構(gòu)成厚度測(cè)控系統(tǒng)。它使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)相連，經(jīng)軟件分析、處理數(shù)據(jù)，再給出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量和控制功能，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

采集板卡使用的是NI USB-6210，它是一個(gè)USB總線供電的多功能DAQ模塊，連接方便。β射線傳感器測(cè)得厚度信號(hào)，通過(guò)模擬輸入通道，最終進(jìn)入工控機(jī)；傳感器位置由電機(jī)控制，編碼器測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，經(jīng)計(jì)算可得到傳感器當(dāng)前位置，從而控制相應(yīng)位置的熱膨脹螺栓。電機(jī)控制掃描架橫向移動(dòng)時(shí)，需要左右兩個(gè)定位開關(guān)，它們的信號(hào)通過(guò)采集卡的數(shù)字輸入通道來(lái)采集。

控制板卡選用NI PCI-6703，它直接插入計(jì)算機(jī)插槽內(nèi)使用，與工控機(jī)無(wú)縫集成，大大節(jié)約了開發(fā)時(shí)間。它是16位模擬輸出板卡，即每塊板卡可以控制16個(gè)熱膨脹螺栓?？刂苽鞲衅魑恢玫碾姍C(jī)通過(guò)放大電路接入到模擬輸出通道上。

系統(tǒng)所需的其它傳統(tǒng)硬件，如濾波器、示波器和功率儀等都在Labview軟件中實(shí)現(xiàn)，用軟件代替了儀器，大大節(jié)約了成本，精度高，使用方便，且可擴(kuò)展性更好[7,8]。

圖5 厚度控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 基本功能及實(shí)現(xiàn)

本文使用Labview軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。它有良好的人機(jī)界面，圖形化的編程方法，操作簡(jiǎn)便，易于開發(fā)和擴(kuò)展，且相比于組態(tài)軟件，它具備了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析功能。

軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能主要有：

1）設(shè)定薄膜的各個(gè)工藝參數(shù)；

2）采集β射線傳感器測(cè)得的信號(hào)；

3）實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前薄膜厚度值，并分析測(cè)得的結(jié)果；采集并顯示傳感器的當(dāng)前位置坐標(biāo)；

4）編寫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法，實(shí)時(shí)分析測(cè)得的數(shù)據(jù)，并給出熱膨脹螺栓的加熱功率，實(shí)現(xiàn)厚度的閉環(huán)控制。

傳感器數(shù)據(jù)的采集通過(guò)Labview中的DAQmax采集助手實(shí)現(xiàn)，β射線傳感器和編碼器分別接入模擬輸入通道，兩個(gè)開關(guān)接入數(shù)字輸入通道，采樣率統(tǒng)一設(shè)置為2KHz。前面板中用數(shù)值控件來(lái)設(shè)定和顯示各個(gè)參數(shù)，用Y-T波形圖實(shí)時(shí)顯示薄膜厚度值，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[9]。

由于Labview本身沒(méi)有提供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的工具包和PID工具包，利用圖形語(yǔ)言直接編程比較復(fù)雜，而Matlab具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力，可以利用matlab中自帶的Neural Network Toolbox神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱編寫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID程序，然后在Labview中利用Mat1ab Script節(jié)點(diǎn)調(diào)用編輯程序?qū)崿F(xiàn)上述算法[10]，Matlab Script調(diào)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的程序如圖6所示。

圖6 Matlab Script節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法程序框圖

4.2 控制流程

系統(tǒng)的控制流程圖如圖7所示。

圖7 控制流程圖

系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，對(duì)薄膜厚度值、采集通道、采樣率等進(jìn)行設(shè)置；電機(jī)運(yùn)行，當(dāng)定位開關(guān)有信號(hào)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；β射線傳感器采集的厚度信號(hào)和電機(jī)編碼器反饋的位置信號(hào)輸入到工控機(jī)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法根據(jù)設(shè)定值和測(cè)得值，計(jì)算出熱膨脹螺栓的功率，改變?？陂g隙，從而改變薄膜厚度值。

4.3 人機(jī)界面

軟件最終的操作界面如圖8所示。

圖8 軟件界面

界面中需要設(shè)定的參數(shù)有：掃描架的起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)；薄膜的工藝參數(shù)；薄膜的生產(chǎn)速度及傳感器的掃描速度；厚度的目標(biāo)設(shè)定值及上下限等。

界面中需要顯示的結(jié)果有：每個(gè)掃描行程測(cè)量點(diǎn)的薄膜厚度，并顯示實(shí)時(shí)曲線圖；當(dāng)前厚度當(dāng)前值，傳感器的當(dāng)前位置坐標(biāo)；一段時(shí)間內(nèi)的最大值，最小值及平均值；厚度偏差分布圖及薄膜厚度合格概率圖等。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)，將NI公司的采集板卡和控制板卡集成于工控機(jī)中，使用labview軟件編寫可視化的程序，并在其中運(yùn)用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制算法，開發(fā)出一套流涎機(jī)薄膜厚度測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)易于構(gòu)建，功能強(qiáng)大，能夠很好的保證薄膜厚度控制的精度和可靠性，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。它還具有良好的可擴(kuò)展性，只要稍作改進(jìn)，將可應(yīng)用于其它生產(chǎn)設(shè)備的厚度控制系統(tǒng)中，應(yīng)用范圍較廣，對(duì)提高產(chǎn)品的開發(fā)效率有著要意義。

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