無(wú)溶劑復(fù)合機(jī)控制系統(tǒng)的研究

丁建軍+田峰+何軍鋒

無(wú)溶劑復(fù)合機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)及工藝流程

與傳統(tǒng)的溶劑型干法復(fù)合機(jī)或濕法復(fù)合機(jī)相比，無(wú)溶劑復(fù)合機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.全過(guò)程無(wú)溶劑排放。使用雙組分（主劑和固化劑）膠，不使用揮發(fā)性有機(jī)溶劑，無(wú)溶劑復(fù)合生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)污染產(chǎn)生，可以實(shí)現(xiàn)“零排放”和“清潔生產(chǎn)”，從而使得產(chǎn)品無(wú)溶劑殘留，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)也無(wú)爆炸、火災(zāi)等安全隱患。

2.生產(chǎn)效率高。速度一般都在250～300米/分（少數(shù)可達(dá)450～600米/分），比絕大多數(shù)干法復(fù)合機(jī)速度高，而且生產(chǎn)的輔助時(shí)間相對(duì)較少。

3.大幅度節(jié)能。不需干燥系統(tǒng)，比干法復(fù)合機(jī)大約節(jié)能2/3。

4.綜合成本較低。占地小、走料路線短、涂膠量少，因而其綜合成本比干法復(fù)合機(jī)有明顯下降。

5.安全性高，由于無(wú)溶劑，不會(huì)發(fā)生火災(zāi)或爆炸。

無(wú)溶劑復(fù)合機(jī)的工藝流程

本文以陜西北人印刷機(jī)械有限責(zé)任公司研發(fā)的SL-ONE FHW1250型無(wú)溶劑復(fù)合機(jī)為例，進(jìn)行控制系統(tǒng)的研究，該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及電氣控制框圖如下：

鑒于無(wú)溶劑復(fù)合工藝本身的特點(diǎn)，特別是初始黏度低、涂膠量小和張力控制要求高等關(guān)鍵性問(wèn)題。在無(wú)溶劑復(fù)合工藝中，張力控制極為重要，必須非常精確、穩(wěn)定。張力控制包括一放卷張力、涂膠后薄膜張力、二放卷張力、收卷張力、收卷錐度幾個(gè)方面。同樣各段張力匹配也非常重要，一般來(lái)說(shuō)，薄膜涂膠后張力略大于一放卷張力，收卷張力略大于二放卷張力，收卷錐度一般控制在20%以內(nèi)。下面進(jìn)行逐一分析說(shuō)明：

1.超聲波檢測(cè)卷徑

一、二放及收卷都采用超聲波傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)卷徑檢測(cè)，把超聲波傳感器安裝在需要的地方并指向目標(biāo)，要確保傳感器離目標(biāo)的距離在傳感器的感應(yīng)范圍之內(nèi)，并且對(duì)準(zhǔn)料卷的卷軸中心，然后在料軸上裝好不同大小卷徑的料卷，通過(guò)計(jì)算機(jī)或人機(jī)界面監(jiān)視不同卷徑下超聲波傳感器對(duì)應(yīng)輸出的數(shù)字量，然后與卷徑大小一一對(duì)應(yīng)列表，然后通過(guò)線性比例計(jì)算出當(dāng)前實(shí)時(shí)卷徑。

2.張力檢測(cè)及PID控制

①?gòu)埩z測(cè)

由于無(wú)溶劑復(fù)合機(jī)大多采用雙組份膠（稱為主劑和固化劑或稱為A膠和B膠），初始黏度很低，因而要求整機(jī)張力控制穩(wěn)定，一、二放及收料張力匹配；一個(gè)要求張力控制高精度的系統(tǒng)，需要考慮的因素很多，比如力矩補(bǔ)償、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的補(bǔ)償、錐度的控制、升降速?gòu)埩ρa(bǔ)償?shù)鹊?。下面就?duì)張力控制過(guò)程所采取的措施加以說(shuō)明：

A.提高張力信號(hào)檢測(cè)精度及抗干擾措施。在擺輥檢測(cè)裝置中，擺輥的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠存儲(chǔ)料膜，它的作用就好比是一個(gè)蓄力器、緩沖器，吸收或隔離了張力的擾動(dòng)。擺輥調(diào)節(jié)的目的是通過(guò)調(diào)整擺輥位置而間接控制料膜表面張力，這個(gè)過(guò)程需要使用擺輥反饋信號(hào)，反饋信號(hào)是擺輥的位置偏差，該位置偏差對(duì)應(yīng)的反映張力的波動(dòng)量。當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，擺輥?zhàn)匀幌麓?，擺輥氣缸上的推力與料膜上的張力處于平衡；當(dāng)系統(tǒng)張力產(chǎn)生了波動(dòng)，克服機(jī)械摩擦阻力，這種平衡被打破，擺輥位置發(fā)生了偏移，擺輥的自重在水平方向產(chǎn)生分力，該分力疊加到料膜張力上，使系統(tǒng)張力產(chǎn)生更大的波動(dòng)。機(jī)械摩擦阻力包括氣缸、擺輥機(jī)械裝置等的摩擦力，系統(tǒng)在工作時(shí)是一個(gè)不斷的動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程，機(jī)械摩擦阻力對(duì)信號(hào)檢測(cè)精度有很大的影響。從以上分析可看出，減輕擺輥裝置的自重、減小機(jī)械摩擦阻力是提高信號(hào)檢測(cè)精度的關(guān)鍵。另外，擺輥反饋信號(hào)應(yīng)調(diào)整到最高分辨率，過(guò)低的分辨率將降低張力調(diào)節(jié)的總體性能。

對(duì)檢測(cè)信號(hào)的抗干擾措施：在硬件上選擇優(yōu)良的器件，采用德國(guó)電感式接近傳感器，配備完善的接地網(wǎng)，單點(diǎn)接地，分隔走線及布線，所有信號(hào)線均采用屏蔽線；在軟件上，對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波，消除錯(cuò)誤的檢測(cè)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊。

B.驅(qū)動(dòng)部件表面速度與線速度之間的速度匹配對(duì)于張力調(diào)節(jié)和PLC內(nèi)部的計(jì)算精度非常重要，速度匹配保證了料膜能夠按照整條生產(chǎn)線的同一速率運(yùn)行，使張力控制器或擺輥控制器控制料膜表面張力的修正量更小，精度更高。在實(shí)際應(yīng)用中，選擇美國(guó)羅克韋爾高性能矢量變頻+超同步伺服電機(jī)，工作在帶PG矢量控制，可進(jìn)行高精度的速度控制、力矩控制，速度控制范圍為1∶1000，控制精度為±0.02%，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為150%，充分保證了速度精度及機(jī)械硬度。

②PID控制

張力控制一般都采用PID控制。PID控制效果的好壞主要在于采樣時(shí)間、增益、積分、微分等PID參數(shù)的調(diào)節(jié)，一般PID調(diào)節(jié)器原理框圖如下：

一般PID調(diào)節(jié)器的控制方程：

e=W-X

W：設(shè)定值

X：實(shí)際值

e：調(diào)節(jié)偏差

Kp：比例系數(shù)

Ti：積分時(shí)間

Td：微分時(shí)間

Kp是比例系數(shù)，Kp盡可能調(diào)高，一個(gè)較大的Kp可使調(diào)節(jié)回路既快又精確，但過(guò)高的Kp值可導(dǎo)致超調(diào)甚至振蕩（不穩(wěn)定）。

積分的作用是消除比例調(diào)節(jié)器中殘存的靜差，只要偏差不為零，它將通過(guò)累積作用影響控制量U，以求減小偏差，當(dāng)偏差為零時(shí)，控制量不再變化，系統(tǒng)才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)。Ti是積分時(shí)間，反映了控制器積分作用的強(qiáng)弱，Ti大積分作用弱，Ti小積分作用強(qiáng)。

微分調(diào)節(jié)是在偏差變化時(shí)起作用的，它根據(jù)偏差的變化率來(lái)調(diào)節(jié)。一般在速度模式下，不用微分調(diào)節(jié)，但是在升降速，軸切換時(shí)，需要提高系統(tǒng)對(duì)張力波動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可加入適當(dāng)?shù)奈⒎终{(diào)節(jié)。

張力控制時(shí)，PID參數(shù)的線性化、分段處理是解決低速與高速，小卷與大卷不同特性的有效方法。系統(tǒng)在升降速過(guò)程中，多臺(tái)電機(jī)聯(lián)動(dòng)，使整條生產(chǎn)線的線速度發(fā)生了變化，由于各個(gè)執(zhí)行電機(jī)的負(fù)載慣量是不同的，引起各電機(jī)的升降速曲線不重合，此時(shí)的張力控制特性與穩(wěn)態(tài)時(shí)是有所區(qū)別的，控制參數(shù)要作相應(yīng)的調(diào)整，加入升降速PID控制，單獨(dú)控制升降速時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，與穩(wěn)態(tài)比較，張力擾動(dòng)大，要求響應(yīng)快速，這時(shí)比例、積分作用都要求比較強(qiáng)，只要系統(tǒng)不產(chǎn)生振蕩即可。

3.涂膠量的控制

由于無(wú)溶劑復(fù)合的涂膠量通常只有干法復(fù)合的1/2～1/3，且涂膠量大小還可能影響到復(fù)合質(zhì)量和收卷整齊度等，因此對(duì)涂膠量的控制要求很?chē)?yán)格。開(kāi)機(jī)前首先要調(diào)整靜計(jì)量輥與動(dòng)計(jì)量輥之間的間隙（一般為0.08～0.12mm），左右兩邊要一致，以確保涂膠量的均勻，而且要等靜計(jì)量輥與動(dòng)計(jì)量輥完全預(yù)熱后，要再次調(diào)整兩端的間隙。另外，在靜計(jì)量輥與動(dòng)計(jì)量輥之間的間隙調(diào)好固定的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)動(dòng)計(jì)量輥與涂膠輥之間的速比來(lái)微調(diào)涂膠量的大小。

總結(jié)

以上方法是筆者在長(zhǎng)期的工作實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的，并且在首臺(tái)研制的SL-ONE FHW1250型無(wú)溶劑復(fù)合機(jī)上得到了驗(yàn)證，通過(guò)以上措施的實(shí)施，有效地控制了張力的穩(wěn)定性，張力波動(dòng)大小可以做到全程±0.2kg，保證了無(wú)溶劑復(fù)合機(jī)的張力控制精度要求，明顯提高了整臺(tái)設(shè)備的張力穩(wěn)定性，從而保證了復(fù)合產(chǎn)品的質(zhì)量及收卷整齊。