立式鋁箔分切機主控制系統分析

宋曉亮，張 偉，許 卓

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

0 引言

鋁箔分切機是鋁箔加工中的精整設備，在“精整”裝備的全球化發展中，可喻為高端高精的現代化裝備。鋁板經過冷軋機、鋁箔粗軋機、鋁箔精軋機的軋制，形成雙層0.03～0.006mm的鋁箔。通過鋁箔分切機把雙層的鋁箔分開，同時按照不同的商業要求把1000～1850mm寬的鋁箔分切成不同寬度的鋁箔若干條，并按恒張力方式卷成鋁卷。由于鋁箔分切機是鋁箔生產重要的后部工序，對鋁箔的質量和成品率有著重要的影響，所以鋁箔分切機是現代鋁加工企業必須和關鍵技術裝備。

1 設備組成

立式鋁箔分切機由開卷機、導輥、上下卷取機、拔軸系統、超聲波焊接機、氣液系統和電氣控制系統組成。

圖1是立式鋁箔分切機設備的側面簡視圖，圖中開卷機為對錐式，直流電機驅動，開卷機在機列中完成帶材的開卷和對中，帶材的后張力由開卷機產生。導輥是一組輥系，由直流電機通過齒形皮帶同步驅動，在整個系統運行過程中起到平衡前后張力的作用，并控制整個機列的運行速度，完成鋁箔導向、分卷和剪切。

圖1 立式鋁箔分切機側面簡易圖

卷取機分上卷取和下卷取，分別完成雙合鋁箔的收卷，為了保證成品卷的質量，其張力由卷取機直接產生；超聲波焊接機是利用超聲波的振動將斷帶后鋁箔接上，以提高成品率；拔軸系統主要是完成卸卷后的拔軸工作；氣動系統主要應用在夾送輥、上下壓平輥和上下支撐輥上，這些輥調整的好與壞直接關系到成品的質量；液壓系統主要是完成分切機的其他輔助動作，如開卷卷取的加緊打開，上料小車的側板升降等。

電氣控制系統由交流控制中心，直流電機驅動系統，主控PLC系統和操作臺組成。分切機控制系統框圖如圖2所示。

圖2 分切機控制系統框圖

交流控制中心采用組合式開關柜，完成交流進線，電源分配和交流電動機控制，直流驅動系統用于開卷機，導輥和卷取機的直流電動機驅動控制，采用德國西門子公司全數字可控硅直流裝置6RA70系列。主控系統采用德國西門子公司的PLC-300系列和安裝在控制柜及操作臺上的ET200M分站單元，通過PROFIBUS-DP通訊電纜和主機架相連，極大地簡化了布線，這樣用一根通訊電纜鏈接即可實現主機架和遠程I/O機架所在控制柜、操作臺的信息交換，解決了電纜老化問題,節省了工程費用。

2 控制系統分析

2.1 概述

立式分切機剪切的材料極薄，最薄的可以達到單張厚度為0.006mm，而且運行速度很快，最高速度可以達到800m/m in，因此對運行的張力和速度控制精度提出了很高的要求，恒速度控制精度為0.5%，恒張力控制精度為2%，并可根據卷取卷徑的變化自動進行錐度張力控制。

2.2 張力控制

直流電機的總電磁轉矩為：

其中： CT為電機結構常數；

Φ為電機磁通；

Ia為電機電樞電流。

本系統開卷和卷取設計采用了西門子的6RA70直流模塊，根據該直流模塊特點采用了速度欠飽和下的轉矩限幅控制。其功能框圖如圖3所示。

圖3 西門子直流模塊轉矩限幅框圖

由框圖中可知，直流模塊的直接輸出可以換算成一個轉矩值，當電機的實際速度沒有達到給定速度時，直流模塊會增加輸出轉矩值以使電機增加轉速，當電機的實際速度超過給定速度時，直流模塊會減小輸出轉矩或出負轉矩以使電機減速或制動，當電機實際速度和給定速度相等時，直流模塊的輸出轉矩和負載轉矩達到平衡狀態。從框圖中可看出P605參數是用來直接設置直流模塊轉矩輸出限幅值的，只要電機沒有達到設定速度值，我們就可以根據此參數來控制直流模塊的輸出轉矩。

根據轉矩計算張力為：

其中： Tem為電機轉矩；

R為鋁箔卷半徑。

開卷卷材的卷徑是應用超聲波測距儀進行直接測量得到，卷取卷材的卷徑用直線電位器直接測量。在分切機運行過程中開卷是放卷過程，只要保證料材平展，張力恒定即可，但對于卷取機，若采用恒張力卷取，隨著卷取卷材直徑的增大，會出現外緊內松現象，造成勒卷劃傷等缺陷，因此在系統中需要設置錐度張力控制，即隨著卷取機卷材直徑的增大，使卷取張力呈線性下降，其數學模型如圖4所示。

圖4 錐度張力控制

其中：Ts為恒張力基準；

A為錐度比率0～60%；

Dact為卷徑實際值；

D0為最小卷徑值；

Dmax為最大卷徑值。

開卷機和上下卷取機都采用了直接轉矩控制，為了減小開卷張力和卷取張力間的相互影響，設備有一個夾送輥裝置，有效的保證了兩個張力的相互獨立性。設備選用的都是具有3～4倍弱磁能力的直流電機，開卷電機剛開始運行時，卷徑比較大，轉速比較慢，在電機基速以下，電機工作在滿磁模式下且輸出較大扭矩，隨著設備的運行，開卷卷徑變小，轉速變快，在電機基速以上，電機工作在弱磁模式下且輸出較小扭矩；卷取電機正好相反，在開始運行時工作在弱磁模式下，在運行到臨近結束時工作在滿磁模式下。

張力基準由操作臺設定，設定值經過計算換算成轉矩值分別傳送給直流模塊，且開卷和上下卷取張力可分別單獨給定，方便操作手根據實際生產的具體情況進行細微調整。

2.3 速度控制

機列速度基準也是由操作臺設定，設定值直接進入導輥電機的速度設定，機列速度實際值由導輥電機的編碼器速度反饋得到，開卷電機的速度基準是給定一個運行方向反方向的小速度值，這樣可以保證其轉矩限幅有效，且當發生斷帶時，直流模塊的速度環替換轉矩限幅，使電機在反向較小速度下運行，不會產生飛車危險。卷取電機的速度基準給定是機列速度基準附加一個正向速度值，當設備正常運行時，卷取電機運行速度無法達到設定速度基準，轉矩限幅有效，即卷取張力可控，若發生斷帶，直流模塊速度環生效，轉矩限幅失效，保證卷取電機的運行安全。

2.4 導輥控制

導輥電機的主要作用是保證機列在設定速度下運行，使開卷張力和卷取張力達到平衡，且要防止箔材劃傷，直流模塊在速度環模式下運行，當卷取總張力大于開卷張力時，導輥電機輸出負轉矩以使兩邊張力達到平衡，當卷取總張力小于開卷張力時，導輥電機輸出正轉矩來使兩邊張力達到平衡，這樣系統就可以保證設備穩定恒速運行了。

該立式分切機控制系統已經在現場得到應用，實際生產情況驗證該控制方式可行，且運行穩定，操作簡單。如圖5所示。

圖5 立式分切機現場實物

3 結束語

目前，這臺立式分切機已完成帶負荷調試，各項指標均達到了設計要求。當然，設備中也還存在著一些不盡人意的地方。比如卷取機的壓平輥和支撐輥都采用的氣動比例閥控制，其壓力的大小有限，對于有些型號的箔材需要調整的壓力無法達到，影響卷材的整體質量；導輥電機是依靠導輥和箔材間的摩擦力才平衡前后張力的，若初始時兩邊張力相差太懸殊，會造成導輥打滑現場，影響成卷質量，因此在開卷卷取的張力給定控制上要加以完善，以更好的方便新操作手的操作。這些問題的存在要求我們在以后的設計中不斷改進，以滿足用戶對產品質量的更高要求。

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