無溶劑復合機控制系統的研究

丁建軍+田峰+何軍鋒

無溶劑復合機的主要優點及工藝流程

與傳統的溶劑型干法復合機或濕法復合機相比，無溶劑復合機具有以下優點：

1.全過程無溶劑排放。使用雙組分（主劑和固化劑）膠，不使用揮發性有機溶劑，無溶劑復合生產過程中無污染產生，可以實現“零排放”和“清潔生產”，從而使得產品無溶劑殘留，生產現場也無爆炸、火災等安全隱患。

2.生產效率高。速度一般都在250～300米/分（少數可達450～600米/分），比絕大多數干法復合機速度高，而且生產的輔助時間相對較少。

3.大幅度節能。不需干燥系統，比干法復合機大約節能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合機有明顯下降。

5.安全性高，由于無溶劑，不會發生火災或爆炸。

無溶劑復合機的工藝流程

本文以陜西北人印刷機械有限責任公司研發的SL-ONE FHW1250型無溶劑復合機為例，進行控制系統的研究，該機結構簡圖及電氣控制框圖如下：

鑒于無溶劑復合工藝本身的特點，特別是初始黏度低、涂膠量小和張力控制要求高等關鍵性問題。在無溶劑復合工藝中，張力控制極為重要，必須非常精確、穩定。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、收卷錐度幾個方面。同樣各段張力匹配也非常重要，一般來說，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。下面進行逐一分析說明：

1.超聲波檢測卷徑

一、二放及收卷都采用超聲波傳感器進行實時卷徑檢測，把超聲波傳感器安裝在需要的地方并指向目標，要確保傳感器離目標的距離在傳感器的感應范圍之內，并且對準料卷的卷軸中心，然后在料軸上裝好不同大小卷徑的料卷，通過計算機或人機界面監視不同卷徑下超聲波傳感器對應輸出的數字量，然后與卷徑大小一一對應列表，然后通過線性比例計算出當前實時卷徑。

2.張力檢測及PID控制

①張力檢測

由于無溶劑復合機大多采用雙組份膠（稱為主劑和固化劑或稱為A膠和B膠），初始黏度很低，因而要求整機張力控制穩定，一、二放及收料張力匹配；一個要求張力控制高精度的系統，需要考慮的因素很多，比如力矩補償、轉動慣量的補償、錐度的控制、升降速張力補償等等。下面就對張力控制過程所采取的措施加以說明：

A.提高張力信號檢測精度及抗干擾措施。在擺輥檢測裝置中，擺輥的一個優點是能夠存儲料膜，它的作用就好比是一個蓄力器、緩沖器，吸收或隔離了張力的擾動。擺輥調節的目的是通過調整擺輥位置而間接控制料膜表面張力，這個過程需要使用擺輥反饋信號，反饋信號是擺輥的位置偏差，該位置偏差對應的反映張力的波動量。當系統處于平衡狀態時，擺輥自然下垂，擺輥氣缸上的推力與料膜上的張力處于平衡；當系統張力產生了波動，克服機械摩擦阻力，這種平衡被打破，擺輥位置發生了偏移，擺輥的自重在水平方向產生分力，該分力疊加到料膜張力上，使系統張力產生更大的波動。機械摩擦阻力包括氣缸、擺輥機械裝置等的摩擦力，系統在工作時是一個不斷的動態調整過程，機械摩擦阻力對信號檢測精度有很大的影響。從以上分析可看出，減輕擺輥裝置的自重、減小機械摩擦阻力是提高信號檢測精度的關鍵。另外，擺輥反饋信號應調整到最高分辨率，過低的分辨率將降低張力調節的總體性能。

對檢測信號的抗干擾措施：在硬件上選擇優良的器件，采用德國電感式接近傳感器，配備完善的接地網，單點接地，分隔走線及布線，所有信號線均采用屏蔽線；在軟件上，對檢測信號進行濾波，消除錯誤的檢測信號對系統產生的沖擊。

B.驅動部件表面速度與線速度之間的速度匹配對于張力調節和PLC內部的計算精度非常重要，速度匹配保證了料膜能夠按照整條生產線的同一速率運行，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。在實際應用中，選擇美國羅克韋爾高性能矢量變頻+超同步伺服電機，工作在帶PG矢量控制，可進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%，啟動轉矩為150%，充分保證了速度精度及機械硬度。

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間、增益、積分、微分等PID參數的調節，一般PID調節器原理框圖如下：

一般PID調節器的控制方程：

e=W-X

W：設定值

X：實際值

e：調節偏差

Kp：比例系數

Ti：積分時間

Td：微分時間

Kp是比例系數，Kp盡可能調高，一個較大的Kp可使調節回路既快又精確，但過高的Kp值可導致超調甚至振蕩（不穩定）。

積分的作用是消除比例調節器中殘存的靜差，只要偏差不為零，它將通過累積作用影響控制量U，以求減小偏差，當偏差為零時，控制量不再變化，系統才能達到穩態。Ti是積分時間，反映了控制器積分作用的強弱，Ti大積分作用弱，Ti小積分作用強。

微分調節是在偏差變化時起作用的，它根據偏差的變化率來調節。一般在速度模式下，不用微分調節，但是在升降速，軸切換時，需要提高系統對張力波動的動態響應，可加入適當的微分調節。

張力控制時，PID參數的線性化、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。系統在升降速過程中，多臺電機聯動，使整條生產線的線速度發生了變化，由于各個執行電機的負載慣量是不同的，引起各電機的升降速曲線不重合，此時的張力控制特性與穩態時是有所區別的，控制參數要作相應的調整，加入升降速PID控制，單獨控制升降速時的動態響應，與穩態比較，張力擾動大，要求響應快速，這時比例、積分作用都要求比較強，只要系統不產生振蕩即可。

3.涂膠量的控制

由于無溶劑復合的涂膠量通常只有干法復合的1/2～1/3，且涂膠量大小還可能影響到復合質量和收卷整齊度等，因此對涂膠量的控制要求很嚴格。開機前首先要調整靜計量輥與動計量輥之間的間隙（一般為0.08～0.12mm），左右兩邊要一致，以確保涂膠量的均勻，而且要等靜計量輥與動計量輥完全預熱后，要再次調整兩端的間隙。另外，在靜計量輥與動計量輥之間的間隙調好固定的情況下，通過調節動計量輥與涂膠輥之間的速比來微調涂膠量的大小。

總結

以上方法是筆者在長期的工作實踐中總結出來的，并且在首臺研制的SL-ONE FHW1250型無溶劑復合機上得到了驗證，通過以上措施的實施，有效地控制了張力的穩定性，張力波動大小可以做到全程±0.2kg，保證了無溶劑復合機的張力控制精度要求，明顯提高了整臺設備的張力穩定性，從而保證了復合產品的質量及收卷整齊。