瓦楞紙板生產線帶鋼糾偏控制系統的設計與實現

趙善通

一、引言

隨著我國包裝工業的快速發展，瓦楞紙箱印刷成套設備行業已經有了翻天覆地的變化，形成了一個基本的產業架構，基本上適應了我國瓦楞紙箱行業的發展。帶鋼糾偏控制系統的設計與實現是提高整線自動化程度的關鍵設備，具有自動化程度高，使用壽命長，提高成品率等特點，開發并產業化既是國內外市場對高效、節能瓦楞紙板包裝機械的強烈需求所致，也是提高國產紙箱包裝機械的技術水平，提高我國裝備制造業國際競爭力的必需。

二、系統設計

帶鋼在運行中自行偏離生產線的中心，向輥子的一側移動，稱為帶鋼“跑偏”。理想情況下，帶鋼在輥子上行走，只要帶鋼和傳送輥表面有接觸，并在一定的摩擦阻力界限內，那么帶鋼的張力是平均分布的，即當帶鋼靠上輥子時，帶鋼就會垂直于輥子的中心軸行走。

帶鋼在運送輥上行走，如果傳送輥是相互平行的，帶鋼與輥子之間接觸在摩擦阻力界限之內，帶鋼平直，斷面薄厚均勻，則作用在帶鋼上的張力分布均勻。這樣，帶鋼在輥子上行走就不會“跑偏”。但實際上在帶鋼的運送上，會有各種擾動，從而帶鋼在運送中的“跑偏”。

主要影響因素有：帶鋼斷面不均勻的影響（帶鋼鐮刀彎）、輥子幾何形狀的影響、兩運送輥軸向不平行的影響、輥面質量的影響、來料鋼卷邊緣部分影響等，總結起來都是由于受力不均引起，且極具隨機性，跑偏是不可避免的。帶鋼邊緣跑偏不僅使帶卷邊緣無法卷齊，而且會使帶鋼邊緣碰撞、刮壞設備并造成嚴重的斷帶停產事故。因此，為確保帶鋼在作業線上在一定的橫向誤差范圍內對準機組中心線（或設定位置），帶鋼的位置糾偏控制成為帶鋼連續作業線上必不可少的環節。例如，在帶鋼軋制、酸洗、退火、鍍錫、鍍鋅等機組中，很多的地方設立糾偏裝置。

針對以上問題，本項目設計一種帶鋼糾偏控制系統，由于生產線工況條件惡劣，振動大、噪聲強、溫度高、污染嚴重，所以對控制系統的要求必須有非常高的可靠性和處理速度。為此我們在系統設計中需采用特殊的光電傳感器檢測帶鋼偏移信號，控制器采用計算機控制系統和智能PI控制算法，以減小和消除超調，加快系統的動態響應;執行機構采用電液伺服閥控制液壓缸，推動卷取機跟隨鋼帶。原理圖如圖1所示：

控制算法采用智能PI算法，優化控制性能，這是該控制系統的關鍵部分;光電傳感器采用特殊頻率電源，提高抗干擾性能，有利于提高控制精度;該系統實現鍵盤自給定系統，在帶鋼寬度變化時自動調節光電傳感器的光電頭可以實現帶鋼邊緣位置的準確定位。

三、數學建模

目前，一些控制系統在正常工作情況下是穩定的，但是調節時間偏長，而且在受到強干擾，控制性能有可能劣化，并且系統有很大的超調和震蕩，所以需要設計更為可靠的控制器。本項目建立一種新的帶鋼糾偏控制系統，具體如下：

（1）由理論推導伺服閥的傳遞函數：

（2）開發適合于瓦紙板生產線環境的電子感應組件。

通過試驗，開發出性價比更好更高的，適用瓦楞紙板生產線工作狀況的糾偏電子感應組件。

（3）設計框架式張力控制整體糾偏的機械結構，使反應速度達到250米/分鐘的高車速。

由于生產線需要連續長時間生產，機械需要根據電器系統反饋的信息進行相應的動作來完成糾偏工作，在連續高速運行的情況下，對機械和執行機構是一種高難度考驗。

（4）根據紙板跑偏的方向、角度、速度等主要參數，設計精準糾偏控制算法，最終達到高速自動糾偏。

紙張運動過程中的左右運動趨勢的提前判斷是復雜的。必須經過多次現場生產實驗，來確定糾偏控制算法。

（5）根生產線實時的張力需要，設計一款自動張力控制的六點剎車機構。

六點剎車張力自動控制，采用機械彈簧式卸載張力，氣動自動調壓閥式張緊，合理處理紙張的張力大小。

四、系統實現

糾偏控制系統如圖2所示，主要包括有：糾偏框架、機電驅動器、感應器、卷材控制器等部件，通過監測紙板的寬度并將結果進行數字信號或者模擬信號輸出，從而連接現場總線控制，杜絕紙張在生產時出現偏向而出現廢品高，更避免由于張力的太松或太緊而出現斷紙或粘合不良等現象，使整條流水線生產更流暢。實現現場如圖3所示。

五、結語

本項目自主設計一種新的帶鋼糾偏控制系統，控制器對模型的依賴性較弱，在系統的模型不斷變化中也能得到較好的效果，并達到紙張糾偏精度= ±2 mm，速度達到250米/分鐘。操作者僅僅需要將原料紙板從起始位置送上橋架然后啟動糾偏系統作業即可，無需任何調整和變動，可有效降低瓦楞紙板的廢品率，增加產量，節約成本，為企業創造可觀的經濟效益。

（作者單位：肇慶市科技中心）