收卷開環(huán)張力控制在薄膜收卷線上的應用

趙 琦，焦文輝，戴展鵬，雷 宏，黃 靜

（桂林格萊斯科技有限公司，廣西 桂林 541000）

0 引言

目前薄膜產(chǎn)業(yè)是我國產(chǎn)量最大、品種最多的高分子材料產(chǎn)業(yè)之一，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，塑料薄膜產(chǎn)業(yè)需求和產(chǎn)量也逐年增加，年均增長速度達到15%以上[1]。收卷作為生產(chǎn)線生產(chǎn)出來的大膜卷二次加工的末尾工序，在整個生產(chǎn)過程中占有至關重要的地位，良好的復卷工藝不僅得到產(chǎn)品較好的外表面和收卷緊實度，還可以滿足客戶的各種需求[2]。收卷張力的大小直接影響產(chǎn)品收卷的質(zhì)量[3]。張力過大，收卷過緊，薄膜容易產(chǎn)生皺紋，收卷的膜有跑邊現(xiàn)象；張力不足，帶入膜層的空氣量過多，母卷薄膜的密度小，薄膜容易在芯卷上產(chǎn)生軸向滑移及嚴重的錯位，以至造成無法卸卷，所以收卷機必須具有良好的張力控制系統(tǒng)[4]。目前常見的張力控制系統(tǒng)采用變頻器、PLC加上張力傳感器形成對張力的閉環(huán)控制[5]。然而在實際測試中發(fā)現(xiàn)，由于收卷薄膜很薄，導致收卷張力數(shù)值很小，且收卷速度很快，導致張力容易出現(xiàn)快速的波動。在這種情況下采用張力閉環(huán)控制容易造成張力波動大，易斷膜，收卷跑邊等問題，因此在薄膜收卷過程中嘗試采用變頻器和PLC 做張力開環(huán)控制，張力傳感器只做顯示或者直接取消[6-8]。而根據(jù)薄膜收卷過程中的張力變化趨勢來設置收卷張力的大小，以提高收卷質(zhì)量。

1 基本思路

一般的薄膜收卷設備主要由放卷，牽引電機和收卷電機組成，放卷部分有時是雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線的結尾部分，經(jīng)過拉伸成型后的薄膜經(jīng)過牽引電機后進行收卷。整體設備結構如圖1 所示。

圖1 設備結構

為了實現(xiàn)對張力的良好控制，目前一般采用通過HMI（人機界面）將控制數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC，再由PLC 控制收卷變頻器工作。張力傳感器的數(shù)據(jù)通過PLC 傳遞給HMI[9-10]。整體控制系統(tǒng)如圖2 所示，收卷的張力，卷芯的超速值、摩擦力以及收卷的狀態(tài)都在人機界面HMI 中設定和顯示。而通過公式，可以看出收卷過程中，如果保持收卷的張力F 不變，而收卷過程中卷徑在不斷的變大。隨著收卷卷徑越來越大，電機施加到薄膜上力矩會越來越大，這種情況下，恒張力條件下會導致外層膜受到的拉伸比內(nèi)層薄膜要大，就會將內(nèi)層膜壓皺，因此在收卷過程中，隨著收卷直徑的增加，要按預先設定的規(guī)律將薄膜的張力自動進行衰減。收卷的PLC 讀取收卷變頻器當前的轉(zhuǎn)速實際值，根據(jù)牽引電機的線速度（牽引電機線速度和收卷電機線速度相等）實際值在PLC 中計算出當前收卷的卷徑實際值，通過上位機設定的收卷張力折算到電機側力矩，將力矩設定給收卷變頻器，從而控制收卷張力，實現(xiàn)張力恒定或錐度收卷[11]。

圖2 PLC 控制系統(tǒng)結構

2 實現(xiàn)方法

2.1 實現(xiàn)方法

收卷張力控制方式從張力的來源可以分表面卷曲和中心卷曲，考慮中心卷曲相對受到干擾較小，所以采用的是中心卷曲張力開環(huán)控制，設備上安裝有張力傳感器，傳感器可以實時反應膜上的實際張力情況，在摩擦力等因素補償后，理論上設定的收卷張力和張力傳感器上反饋的張力是一致的。變頻器控制方式采用速度給定力矩限幅的形式，力矩限制值就是當前HMI 給定的收卷張力設定加上摩擦轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩補償值，速度按照牽引速度超速10豫給定，防止斷膜后出現(xiàn)收卷飛車現(xiàn)象。整體控制系統(tǒng)采用西門子S7-1500 系列PLC、西門子S120 變頻器、ET200sp I/O 模塊、三菱張力傳感器及放大器。張力輥上安裝張力傳感器，張力傳感器通過張力放大器把張力信號輸入到ET200sp 模擬量輸入模塊中，在PLC 中通過量化，將張力實際值顯示到人機界面上，通過張力傳感器實際反饋可以顯示收卷過程中膜上的張力情況。收卷電機采用帶編碼器的閉環(huán)控制，控制精度高，收卷張力的設定、收卷超速值、收卷錐度控制曲線都在人機界面上輸入，通過輸入的張力值和當前的卷徑計算出給定電機軸上的力矩，將力矩設定值送到S120 變頻器中，進行力矩限幅。

2.2 實現(xiàn)相關計算

（1）卷徑的計算

線速度：V = 棕*R

其中，棕為電機的角速度，R 為收卷卷芯半徑，棕=2仔n（n 為轉(zhuǎn)速）

由以上線速度可以推倒出卷徑的公式：

收卷電機的線速度和牽引電機的線速度一致，牽引電機的線速度通過人機界面直接給定，通過讀取收卷電機的實際轉(zhuǎn)速，即可通過公式算出當前的卷徑。

收卷卷徑計算：因為膜上張力的原因，收卷電機的實際轉(zhuǎn)速達不到設定轉(zhuǎn)速，通過讀取到的實際轉(zhuǎn)速和牽引電機的線速度計算出當前卷徑。當前卷徑又反饋到給定速度上，從而把給定速度降低。為了提高輸出轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性和消除收卷過程中出現(xiàn)的抖動，可以對計算出來的卷徑進行濾波處理。濾波處理的原理是依次讀取10個數(shù)據(jù)，去掉最大值和最小值（可能是干擾量），然后將8個數(shù)據(jù)相加求平均值，得到濾波后的卷徑。

（2）電機的力矩給定值計算

式中，F(xiàn) 為膜上的張力，L 為力臂。

當然，轉(zhuǎn)換到電機軸的力矩還要除以電機的減速比，計算公式為：

如果引入錐度控制，隨著卷徑的變化張力的設定值應該根據(jù)預先設定好的錐度變化，錐度的設置一半根據(jù)工藝要求在人機界面上設定。錐度程序采用的是在當前卷徑下張力設定百分比，在本程序中取21個點做張力錐度控制。

（3）靜摩擦轉(zhuǎn)矩

靜摩擦轉(zhuǎn)矩是電機啟動的時候疊加的一個轉(zhuǎn)矩，在電機力矩給定值很小的時候，如果直接把力矩給定電機，電機的靜摩擦力很大，電機有可能轉(zhuǎn)不起來，因此，在電機啟動給電機一個很大的轉(zhuǎn)矩，等電機完全運行起來再將轉(zhuǎn)矩切除。當速度大于0 時，摩擦轉(zhuǎn)矩消除，在實際使用中大概取20 s 的時間，20 s 之后就將靜摩擦轉(zhuǎn)矩去掉。

（4）滑動摩擦轉(zhuǎn)矩

采用在不同的電機轉(zhuǎn)速下，電機剛好設定值能跟上實際值時候，電機的實際力矩作為滑動摩擦轉(zhuǎn)矩，在實際中可以根據(jù)產(chǎn)線的速度，可以取5 ～ 10個點，根據(jù)數(shù)據(jù)在excel 中做出摩擦力矩表格，并計算出摩擦力矩曲線的函數(shù)方程，取點個數(shù)越多，公式越準確，滑動摩擦力計算越準確，這樣在各個速度下，通過計算式可計算出當前的滑動摩擦力，將摩擦力算寫入到PLC，在不同的速度下就有不同的摩擦力，將這個摩擦力動態(tài)的疊加到電機的給定電機轉(zhuǎn)矩設定中，使控制更精確。

（5）轉(zhuǎn)矩補償

為了使系統(tǒng)加減速時候保持張力始終穩(wěn)定，雙工位收卷系統(tǒng)在翻轉(zhuǎn)過程及加減速過程中要疊加一個轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)在減速過程中要減少一個的轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)穩(wěn)定運行時候轉(zhuǎn)矩補償變?yōu)?。

（6）給到電機的力矩

電機的給定轉(zhuǎn)矩=電機的力矩給定值*當前卷徑下的錐度百分比+靜摩擦轉(zhuǎn)矩+滑動摩擦轉(zhuǎn)矩+轉(zhuǎn)矩補償。

（7）收卷電機速度給定

牽引電機的線速度是一個恒定值，在牽引電機線速度的基礎上增加一個疊加量，即超速值，一般按照10豫作為疊加量，可以在人機界面中設定，收卷電機的初始速度通過最小卷徑計算給出，將這個速度作為收卷電機的轉(zhuǎn)速初始設定值，通過通訊給定到S120變頻器中，當然轉(zhuǎn)換到電機軸的轉(zhuǎn)速還要乘以電機的減速比I。當收卷運行中，收卷電機的轉(zhuǎn)速給定值通過當前計算的卷徑和當前線速度計算得出，再通過通訊給到收卷S120 變頻器中。

（8）其他影響因素

為使電機的動態(tài)響應快，在S120 變頻器中要將收卷電機的加減速時間減少。

在給定張力上位機改變時，如果直接將設定力矩給到收卷電機軸，收卷電機就會出現(xiàn)力矩突變，速度也會出現(xiàn)突變，造成斷膜或者膜松下來，為了解決這個問題，在收卷張力設定值給到電機軸上的力矩要做一個上升和下降梯度，上升和下降梯度幅度根據(jù)實際情況調(diào)整。

2.3 程序設計

PLC 程序設計主要采用西門子梯形圖語言進行編程，主程序?qū)懺赑LC 的OB1 中，主程序中調(diào)用張力控制程序，張力控制程序中調(diào)用各個子程序完成張力控制數(shù)據(jù)計算，張力控制程序計算的結果寫入到S120 變頻器中，完成張力控制。為了完善程序的控制，在子程序中還可以添加斷膜檢測功能，在正常收卷過程中，收卷電機的轉(zhuǎn)矩實際值如果小于等于當前轉(zhuǎn)速下的活動摩擦力，且設定力矩和實際力矩相差小于0.5，可以判斷出當前收卷軸上沒有膜，收卷過程已經(jīng)斷膜。主體思路如圖3 所示。

圖3 控制原理圖

3 實際應用

2018年四川高分子實驗生產(chǎn)線上收卷就采用的無張力傳感器的張力開環(huán)控制，設備運行正常，張力控制穩(wěn)定，達到了生產(chǎn)線驗收標準，客戶相當滿意。2021年在安徽用戶生產(chǎn)線中，張力收卷采用的是張力傳感器做張力顯示，收卷張力采用開環(huán)控制，包含有張力的錐度控制，收卷張力波動小，穩(wěn)定性后，收卷平整，取得了良好的效果。

4 結語

收卷的控制直接影響收卷薄膜的質(zhì)量，收卷薄膜的質(zhì)量除了受張力大小因素影響還跟薄膜的材料、溫度、收縮率以及薄膜厚度均勻性都有關系，因此，設定的收卷張力必須與薄膜的特性相適應。薄膜的收卷主要由表面卷曲和中心卷曲。在小分切系統(tǒng)中多采用表面卷曲方式，在雙拉生產(chǎn)線中一般采用中心卷曲方式。中心卷曲方式又包括有張力傳感器的閉環(huán)控制和無張力傳感器的開環(huán)控制，采用浮動輥的速度控制模式。采用浮動輥的速度控制模式設備結構復雜，需要無摩擦氣缸配合使用，而有無張力傳感器的開閉環(huán)控制需要很小的減速比或者不需要減速機，直接采用直驅(qū)電機控制，結構相對簡單。為了減少收卷軸的動摩擦力，目前,筆者的公司正在使用直驅(qū)電機直接驅(qū)動收卷卷芯的方式，大大減少了之前皮帶和齒輪傳動的滑動摩擦力，給到電機軸的力矩很小的情況下就可以驅(qū)動收卷軸運行，從而實現(xiàn)低張力和微張力收卷，效果很好。

子程序和庫程序的調(diào)用大大減少了程序設計工作量，程序的結構化設計很容易擴展，可以輕松實現(xiàn)雙工位收卷。而且張力控制程序也可以運用到放卷控制中，通用性很好。