生箔機控制系統的設計與實現

□ 劉相杰 □ 羅經津 □ 肖麟芬

中船重工集團第707研究所 江西九江 332007

隨著信息產業的迅速發展，印制電路板的應用日益增多，銅箔作為印制電路板、覆銅板等不可缺少的主要原材料，市場需求也日益增加。受印制電路板的加工復雜性、工藝要求等影響，對銅箔的生產加工要求嚴格，不僅要求厚薄均勻，且各項物理、化學性能要求穩定。生箔機作為銅箔生產過程中極其重要的控制設備，其對生產中銅箔張力的精確控制不僅直接影響到銅箔質量，還關系到廠家的生產效益。所以在銅箔生產過程中，需對銅箔卷的張力進行準確監測，對鈦輥、收卷輥的轉速要求精確調節。

生箔機控制系統在線監控點多、采樣精度高、邏輯條件復雜，若用一般邏輯控制方式設計，系統繁瑣，故障率高，性能難以滿足工藝要求。為此，宜采用先進的計算機技術和控制理論設計，提高系統的穩定性和可靠性；添加通信功能，實時顯示各監測點的變化趨勢及故障報警畫面，形成自動檢測、控制、監管相結合的一體化系統。

▲圖1 生箔機生產工藝

1 生箔機工作原理

生箔機主要由鈦輥、陽極、整流裝置、傳動裝置及電控系統等組成，其生產工藝如圖1所示。

生箔機工作時，電解槽中充滿硫酸銅電解液，由泵穩定調節控制其液面高度。鈦輥置于電解槽中，在高頻開關電源產生的低電壓大電流作用下，鈦輥吸收銅離子，生成鍍銅層；鈦輥在變頻器驅動下以一定速度轉動，粘附其上的銅箔在張力帶動下，自動剝離鈦輥生成銅箔帶；銅箔帶經多個夾送輥輸送后由收卷輥牽引纏繞成卷。在銅箔帶邊沿裝有多個不同檢測開關，用以檢測判斷銅箔帶是否邊緣平整或斷裂等。

銅箔帶在經過夾送輥輸送時會產生一定張力，通過壓力傳感器實時監測該張力值，并將其輸入可編程控制器（PLC）進行解算，反饋輸出調節收卷輥的轉速，以保證銅箔帶在收卷輥牽引過程中保持恒定張力，即可實現銅箔生產的質量控制。

2 生箔機控制系統組成

生箔機控制系統如圖2所示，它主要由PLC、觸摸屏、壓力傳感器、變頻器、控制電機等組成。PLC選用性價比高的西門子S7-300系列，它采用模塊式結構，配置靈活、功能齊全、運行可靠，具有良好的環境適應性和抗干擾能力；軟件編程簡單，指令豐富，易于學習和使用。觸摸屏選用臺達DOP-B系列，其編輯軟件Screen Editor界面簡潔、友好、編輯方便，65536色面板使觸摸屏具有較好的顯示效果。觸摸屏的應用省去了傳統面板上的開關按鈕、指示燈等，節省了PLC硬件輸入輸出點，使操作更方便。變頻器選用臺達VFD-VE系列，體積小、性能穩定、性價比高，且接線方便，安裝調試簡單。

3 生箔機控制系統的設計與實現

3.1 張力解算

銅箔帶生產控制，其張力解算至關重要。銅箔帶張力由安裝在夾送輥上壓力傳感器檢測得來，壓力傳感器安裝示意圖如圖3所示。

▲圖2 生箔機控制系統組成

▲圖3 張力檢測示意圖

由圖3可見，當銅箔帶經繞夾送輥時，將使夾送輥產生一個下壓力，經壓力傳感器1、2檢測后輸出mv級電壓信號，再由高精密線性放大器處理后變換為0～10V信號，輸入至PLC的A/D采樣模塊，將其轉換為相應的數字量信號S1和S2。

PLC將夾送輥壓力信號轉換為數字量S1和S2后，需將其解算為銅箔帶的生產張力。處理方法為：首先需校準壓力傳感器，以去除夾送輥本身自重，通過系數校準實現平衡壓力傳感器線性度，校準后的系數作為銅箔張力解算依據。設傳感器1系數為K1，傳感器2系數為K2，夾送輥在傳感器1、傳感器2上自重采樣碼值為S10和S20；將一重量為M砝碼垂直放置于傳感器1端，此時傳感器1和傳感器2的采樣碼為S11和S21；同樣將該砝碼垂直放置于傳感器2端，此時傳感器1和傳感器2的采樣碼為S12和S22。即可通過下列方程組解算 K1及 K2：

得到K1及K2后，可通過式（2）解算出銅箔張力在壓力傳感器上的垂直向分力N1：

夾送輥受力分析如圖4所示。

▲圖4 夾送輥受力分析

圖中α為銅箔與垂直方向的夾角。

由圖4受力分析可得，銅箔帶張力N為：

至此，銅箔帶張力由壓力傳感器采樣值解算得出。

3.2 張力控制

銅箔張力控制是生箔機控制系統的關鍵，將張力控制在一定范圍內，直接關系到銅箔的品質，從而影響銅箔的后序處理?？刂葡到y通過變頻器調節控制銅箔帶張力，即通過輸出變頻調節收卷輥轉速，控制銅箔帶保持一定的線速度。

控制系統設有手動和自動兩種工種方式。當手動方式工作時，可人為調節收卷輥電機及鈦輥電機的運行頻率，以調節銅箔張力；當自動方式工作時，系統將依據解算得出的銅箔張力N及設定張力NSp，自動控制調節收卷輥電機頻率，控制方法如下：

▲圖5 程序流程

式中：FQ為收卷電機頻率輸出值；FC為收卷電機當前頻率值；FP為PID調節值（步距）。

當系統運行時，首先根據所需生產銅箔厚度、電解液濃度及電解電流大小等因素確定鈦輥電機的運行頻率；將系統控制選為手動方式，手動將銅箔卷繞行至收卷輥上；手動調節收卷輥電機頻率，當銅箔張力達到設定張力范圍時，切換系統控制為自動方式，系統將自動調節收卷輥電機運行頻率。

在自動控制方式下，隨著收卷電機轉動，銅箔在收卷過程中會在張力作用下存在一定韌性。若采用PLC自帶PID調節功能塊，易出現收卷輥電機頻率調節過快，造成銅箔張力不穩定、易打褶、斷箔等現象，嚴重影響生箔機生產效率，因此需根據生箔機張力特性編寫PID功能塊。

生箔機張力PID調節采用步距控制，設銅箔設定張力為NSp，實際張力為N，變頻器當前輸出頻率為F，變頻器調整步距為F1，則銅箔生產控制流程如圖5所示。

系統控制采用定時器T（可根據需要在觸摸屏上設定）控制PID輸出調節時間：當定時器工作時，檢測設定張力和實際張力大小，并分別計數設定張力大于實際張力次數C1及計數設定張力小于實際張力次數C2；當定時結束時，比較C1和C2值大小，從而通過調節步距F1來改變變頻器輸出頻率，達到控制銅箔張力的目的。

3.3 人機界面設計

▲圖6 系統主畫面

系統人機交互操作、顯示界面選用臺達觸摸屏編輯軟件Screen Editor編程，軟件提供有豐富的元件圖形庫，可靈活生動地顯示生箔機狀態；畫面編輯簡單易用，顯示效果良好，具有較高的穩定性和兼容性，直觀的圖形界面便于學習和使用。軟件編制時以填入式對話建立目標；將畫面顯示信息與PLC程序控制狀態對應，實現操作和控制一致；分別對各功能文檔進行配置，即在相應對話框中選擇參數，再定制最終顯示畫面，用于顯示設備狀態、參數設置、報警信息等。該觸摸屏提供故障報警顯示控件，能及時反饋當前系統故障報警信息，給維護人員帶來極大幫助。各顯示畫面可由“主畫面”自由切換，為了提高系統的安全性，在進入工藝參數、系統參數等重要畫面前設有口令管理，使合法操作員才可進入對其修改。系統運行主畫面如圖6所示。

4 結束語

生箔機控制系統采用PLC控制、觸摸屏操作，可大大減少中間接觸部件，簡化布線，提高系統的可靠性；且操作簡單，運行平穩。經用戶一年多來使用效果表明，該系統設計合理、性能穩定，完全達到用戶提出的生產工藝要求，經濟效益和社會效益顯著。

［1］ 王阿根.PLC控制程序精編 108例［M］.北京：電子工業出版社，2009.

［2］ 代靈，譚躍剛，陳國良.生箔機人機交互系統設計［J］.機械制造，2008 （10）：30－31.

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［4］ Siemens S7－300 （without PC adapter） ［Z］ .上海：中達電通股份有限公司，2011.

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