無溶劑復(fù)合機(jī)控制系統(tǒng)分析

無溶劑復(fù)合技術(shù)具有健康環(huán)保、高效節(jié)能、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)際公認(rèn)的一種綠色復(fù)合工藝，也是未來軟包裝復(fù)合工藝的主導(dǎo)方向。然而，與一些進(jìn)口品牌相比，國(guó)產(chǎn)無溶劑復(fù)合機(jī)還存在一定差距，但隨著國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的不斷引入、國(guó)內(nèi)機(jī)械制造業(yè)的迅速提升，以及先進(jìn)控制技術(shù)的逐漸普及，國(guó)產(chǎn)無溶劑復(fù)合機(jī)迎來了市場(chǎng)應(yīng)用的小高潮。

控制系統(tǒng)是保障無溶劑復(fù)合機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵部分。國(guó)產(chǎn)無溶劑復(fù)合機(jī)的控制系統(tǒng)一般由可編程控制器、交流伺服電機(jī)及矢量變頻器組成，通過人機(jī)界面顯示及相關(guān)參數(shù)設(shè)定，由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由此形成了一套完善的多電機(jī)張力控制系統(tǒng)。本文將以我公司自主研發(fā)的SL-ONE FHW1250型無溶劑復(fù)合機(jī)為例，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行具體分析。

卷徑控制

第一、二放卷單元及收卷單元一般都采用超聲波傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)卷徑檢測(cè)，將超聲波傳感器安裝在合適位置并指向目標(biāo)，確保超聲波傳感器與目標(biāo)的距離在超聲波傳感器的感應(yīng)范圍之內(nèi)，且對(duì)準(zhǔn)料卷的卷軸中心，然后在卷軸上安裝不同卷徑的料卷，通過計(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)值，并形成與卷徑一一對(duì)應(yīng)的列表，最后通過線性比例計(jì)算出當(dāng)前的卷徑大小。超聲波傳感器的安裝檢測(cè)簡(jiǎn)圖見圖1。

張力控制

由于無溶劑復(fù)合機(jī)大多采用雙組分（主劑和固化劑，或A膠和B膠）膠黏劑，初黏度低，涂膠量小，因此整機(jī)張力控制要求必須精確、穩(wěn)定。張力控制一般包括第一放卷張力、涂膠后薄膜張力、第二放卷張力、收卷張力、收卷錐度等方面。

不僅如此，各段張力的匹配也非常重要。一般來說，薄膜涂膠后的張力應(yīng)略大于第一放卷張力，收卷張力略大于第二放卷張力，收卷錐度一般控制在20%以內(nèi)。此外，高精度的張力控制還需要考慮很多因素，如力矩的補(bǔ)償、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的補(bǔ)償、收卷錐度的控制、升降速張力的補(bǔ)償?shù)取Ｔ趶埩刂七^程中，需要特別注意以下幾個(gè)方面：

1.提高張力信號(hào)檢測(cè)精度及抗干擾能力

通常，張力控制是依靠擺輥檢測(cè)裝置（如圖2所示）來完成的，在該裝置中，擺輥用以存儲(chǔ)料卷，其就好比是一個(gè)蓄力器或緩沖器，用以吸收或隔離張力的擾動(dòng)。擺輥調(diào)節(jié)是為了通過調(diào)整擺輥位置來間接控制料卷的表面張力，這個(gè)過程需要借助于擺輥反饋信號(hào)，反饋信號(hào)代表的是擺輥的位置偏差，從而反映出張力的波動(dòng)量。當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，擺輥?zhàn)匀幌麓梗瑪[輥氣缸上的推力與料卷表面的張力處于平衡狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)張力產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，擺輥就會(huì)克服機(jī)械摩擦阻力（包括氣缸、擺輥機(jī)械裝置等產(chǎn)生的摩擦力），上述平衡狀態(tài)就會(huì)被打破，致使擺輥位置發(fā)生偏移，擺輥?zhàn)灾卦谒椒较虍a(chǎn)生分力，并疊加到料卷的表面張力上，從而使系統(tǒng)張力產(chǎn)生更大的波動(dòng)。可見，張力控制系統(tǒng)工作時(shí)是一個(gè)不斷調(diào)整的動(dòng)態(tài)過程，機(jī)械摩擦阻力對(duì)張力信號(hào)檢測(cè)精度有很大影響。

從以上分析可看出，減輕擺輥裝置的自重、減小機(jī)械摩擦阻力是提高張力信號(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，因?yàn)檫^低的分辨率會(huì)降低張力調(diào)節(jié)的總體性能。

對(duì)張力檢測(cè)信號(hào)的抗干擾措施：在硬件方面，選擇性能優(yōu)良的器件，通常采用德國(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；在軟件方面，對(duì)張力檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波，消除錯(cuò)誤的張力檢測(cè)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊。

2.驅(qū)動(dòng)部件表面速度與線速度之間的匹配

驅(qū)動(dòng)部件表面速度與線速度之間的匹配對(duì)張力調(diào)節(jié)精度和PLC內(nèi)部計(jì)算精度非常重要，速度匹配可以保證料卷按照整條生產(chǎn)線的同一速度運(yùn)行，使張力控制器或擺輥控制器對(duì)料卷表面張力的修正量更小，精度更高。在實(shí)際應(yīng)用中，習(xí)慣上選用美國(guó)羅克韋爾高性能矢量變頻+超同步伺服電機(jī)，采用PG矢量控制，可實(shí)現(xiàn)高精度的速度控制、力矩控制。為充分保證速度精度和機(jī)械硬度，一般速度控制范圍為1：1000，控制精度為±0.02%，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為150%。

3.PID控制

張力控制一般都采用PID控制方式。PID控制效果的好壞主要在于對(duì)采樣時(shí)間、增益、積分、微分等參數(shù)的調(diào)節(jié)，PID調(diào)節(jié)器控制原理如圖3所示。

PID調(diào)節(jié)器的控制方程式為：

e=W-X

其中，U為控制量，W為設(shè)定值，X為實(shí)際值，e為調(diào)節(jié)偏差，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時(shí)間，Td為微分時(shí)間，Kp為比例系數(shù)。Kp應(yīng)盡可能調(diào)高，較高的Kp可使調(diào)節(jié)回路既快速又精確，但也不宜過高，否則會(huì)導(dǎo)致超調(diào)甚至振蕩（不穩(wěn)定）。

積分調(diào)節(jié)的目的是消除比例調(diào)節(jié)器中殘存的靜差，只要偏差不為零，就可以通過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U不再變化，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。Ti反映了PID調(diào)節(jié)器積分作用的強(qiáng)弱，Ti大，表示積分作用弱，Ti小，表示積分作用強(qiáng)。

微分調(diào)節(jié)則在偏差有變化時(shí)起作用，其根據(jù)偏差的變化率來進(jìn)行調(diào)節(jié)。一般，在速度模式下，不采用微分調(diào)節(jié)，但在升降速過程中需要軸切換時(shí)，為了提高系統(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控制參數(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。值得注意的是，在升降速過程中，多臺(tái)電機(jī)聯(lián)動(dòng)，會(huì)使整條生產(chǎn)線的線速度發(fā)生變化，由于各個(gè)執(zhí)行電機(jī)的負(fù)載慣量是不同的，因此各電機(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)會(huì)有所區(qū)別，這就需要對(duì)PID控制參數(shù)作相應(yīng)的調(diào)整，如加入升降速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)相比，調(diào)整后的張力擾動(dòng)會(huì)變大，且響應(yīng)更快速，此時(shí)比例、積分作用都較強(qiáng)，只要保證系統(tǒng)不產(chǎn)生振蕩即可。

涂膠量控制

無溶劑復(fù)合涂膠量通常只有干式復(fù)合涂膠量的1/3～1/2，由于涂膠量大小可能會(huì)影響到復(fù)合質(zhì)量及收卷整齊度等，因此，應(yīng)精確控制無溶劑復(fù)合的涂膠量。開機(jī)前，待靜計(jì)量輥和動(dòng)計(jì)量輥完全預(yù)熱后，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），左右兩端間隙要求一致，以確保涂膠均勻。待靜計(jì)量輥與動(dòng)計(jì)量輥之間的間隙調(diào)整好后，通過調(diào)節(jié)動(dòng)計(jì)量輥與涂膠輥之間的速比來微調(diào)涂膠量大小。

上述控制過程在SL-ONE FHW1250型無溶劑復(fù)合機(jī)上得到了實(shí)際驗(yàn)證，張力波動(dòng)可達(dá)到±0.2kg，滿足了無溶劑復(fù)合機(jī)的張力控制精度要求，明顯提高了整機(jī)的張力穩(wěn)定性，從而保證了復(fù)合產(chǎn)品的質(zhì)量及收卷整齊度。