收卷開環張力控制在薄膜收卷線上的應用

趙 琦，焦文輝，戴展鵬，雷 宏，黃 靜

（桂林格萊斯科技有限公司，廣西 桂林 541000）

0 引言

目前薄膜產業是我國產量最大、品種最多的高分子材料產業之一，隨著我國經濟的高速發展，塑料薄膜產業需求和產量也逐年增加，年均增長速度達到15%以上[1]。收卷作為生產線生產出來的大膜卷二次加工的末尾工序，在整個生產過程中占有至關重要的地位，良好的復卷工藝不僅得到產品較好的外表面和收卷緊實度，還可以滿足客戶的各種需求[2]。收卷張力的大小直接影響產品收卷的質量[3]。張力過大，收卷過緊，薄膜容易產生皺紋，收卷的膜有跑邊現象；張力不足，帶入膜層的空氣量過多，母卷薄膜的密度小，薄膜容易在芯卷上產生軸向滑移及嚴重的錯位，以至造成無法卸卷，所以收卷機必須具有良好的張力控制系統[4]。目前常見的張力控制系統采用變頻器、PLC加上張力傳感器形成對張力的閉環控制[5]。然而在實際測試中發現，由于收卷薄膜很薄，導致收卷張力數值很小，且收卷速度很快，導致張力容易出現快速的波動。在這種情況下采用張力閉環控制容易造成張力波動大，易斷膜，收卷跑邊等問題，因此在薄膜收卷過程中嘗試采用變頻器和PLC 做張力開環控制，張力傳感器只做顯示或者直接取消[6-8]。而根據薄膜收卷過程中的張力變化趨勢來設置收卷張力的大小，以提高收卷質量。

1 基本思路

一般的薄膜收卷設備主要由放卷，牽引電機和收卷電機組成，放卷部分有時是雙向拉伸薄膜生產線的結尾部分，經過拉伸成型后的薄膜經過牽引電機后進行收卷。整體設備結構如圖1 所示。

圖1 設備結構

為了實現對張力的良好控制，目前一般采用通過HMI（人機界面）將控制數據發送給PLC，再由PLC 控制收卷變頻器工作。張力傳感器的數據通過PLC 傳遞給HMI[9-10]。整體控制系統如圖2 所示，收卷的張力，卷芯的超速值、摩擦力以及收卷的狀態都在人機界面HMI 中設定和顯示。而通過公式，可以看出收卷過程中，如果保持收卷的張力F 不變，而收卷過程中卷徑在不斷的變大。隨著收卷卷徑越來越大，電機施加到薄膜上力矩會越來越大，這種情況下，恒張力條件下會導致外層膜受到的拉伸比內層薄膜要大，就會將內層膜壓皺，因此在收卷過程中，隨著收卷直徑的增加，要按預先設定的規律將薄膜的張力自動進行衰減。收卷的PLC 讀取收卷變頻器當前的轉速實際值，根據牽引電機的線速度（牽引電機線速度和收卷電機線速度相等）實際值在PLC 中計算出當前收卷的卷徑實際值，通過上位機設定的收卷張力折算到電機側力矩，將力矩設定給收卷變頻器，從而控制收卷張力，實現張力恒定或錐度收卷[11]。

圖2 PLC 控制系統結構

2 實現方法

2.1 實現方法

收卷張力控制方式從張力的來源可以分表面卷曲和中心卷曲，考慮中心卷曲相對受到干擾較小，所以采用的是中心卷曲張力開環控制，設備上安裝有張力傳感器，傳感器可以實時反應膜上的實際張力情況，在摩擦力等因素補償后，理論上設定的收卷張力和張力傳感器上反饋的張力是一致的。變頻器控制方式采用速度給定力矩限幅的形式，力矩限制值就是當前HMI 給定的收卷張力設定加上摩擦轉矩和轉矩補償值，速度按照牽引速度超速10豫給定，防止斷膜后出現收卷飛車現象。整體控制系統采用西門子S7-1500 系列PLC、西門子S120 變頻器、ET200sp I/O 模塊、三菱張力傳感器及放大器。張力輥上安裝張力傳感器，張力傳感器通過張力放大器把張力信號輸入到ET200sp 模擬量輸入模塊中，在PLC 中通過量化，將張力實際值顯示到人機界面上，通過張力傳感器實際反饋可以顯示收卷過程中膜上的張力情況。收卷電機采用帶編碼器的閉環控制，控制精度高，收卷張力的設定、收卷超速值、收卷錐度控制曲線都在人機界面上輸入，通過輸入的張力值和當前的卷徑計算出給定電機軸上的力矩，將力矩設定值送到S120 變頻器中，進行力矩限幅。

2.2 實現相關計算

（1）卷徑的計算

線速度：V = 棕*R

其中，棕為電機的角速度，R 為收卷卷芯半徑，棕=2仔n（n 為轉速）

由以上線速度可以推倒出卷徑的公式：

收卷電機的線速度和牽引電機的線速度一致，牽引電機的線速度通過人機界面直接給定，通過讀取收卷電機的實際轉速，即可通過公式算出當前的卷徑。

收卷卷徑計算：因為膜上張力的原因，收卷電機的實際轉速達不到設定轉速，通過讀取到的實際轉速和牽引電機的線速度計算出當前卷徑。當前卷徑又反饋到給定速度上，從而把給定速度降低。為了提高輸出轉矩的穩定性和消除收卷過程中出現的抖動，可以對計算出來的卷徑進行濾波處理。濾波處理的原理是依次讀取10個數據，去掉最大值和最小值（可能是干擾量），然后將8個數據相加求平均值，得到濾波后的卷徑。

（2）電機的力矩給定值計算

式中，F 為膜上的張力，L 為力臂。

當然，轉換到電機軸的力矩還要除以電機的減速比，計算公式為：

如果引入錐度控制，隨著卷徑的變化張力的設定值應該根據預先設定好的錐度變化，錐度的設置一半根據工藝要求在人機界面上設定。錐度程序采用的是在當前卷徑下張力設定百分比，在本程序中取21個點做張力錐度控制。

（3）靜摩擦轉矩

靜摩擦轉矩是電機啟動的時候疊加的一個轉矩，在電機力矩給定值很小的時候，如果直接把力矩給定電機，電機的靜摩擦力很大，電機有可能轉不起來，因此，在電機啟動給電機一個很大的轉矩，等電機完全運行起來再將轉矩切除。當速度大于0 時，摩擦轉矩消除，在實際使用中大概取20 s 的時間，20 s 之后就將靜摩擦轉矩去掉。

（4）滑動摩擦轉矩

采用在不同的電機轉速下，電機剛好設定值能跟上實際值時候，電機的實際力矩作為滑動摩擦轉矩，在實際中可以根據產線的速度，可以取5 ～ 10個點，根據數據在excel 中做出摩擦力矩表格，并計算出摩擦力矩曲線的函數方程，取點個數越多，公式越準確，滑動摩擦力計算越準確，這樣在各個速度下，通過計算式可計算出當前的滑動摩擦力，將摩擦力算寫入到PLC，在不同的速度下就有不同的摩擦力，將這個摩擦力動態的疊加到電機的給定電機轉矩設定中，使控制更精確。

（5）轉矩補償

為了使系統加減速時候保持張力始終穩定，雙工位收卷系統在翻轉過程及加減速過程中要疊加一個轉矩，系統在減速過程中要減少一個的轉矩，系統穩定運行時候轉矩補償變為0。

（6）給到電機的力矩

電機的給定轉矩=電機的力矩給定值*當前卷徑下的錐度百分比+靜摩擦轉矩+滑動摩擦轉矩+轉矩補償。

（7）收卷電機速度給定

牽引電機的線速度是一個恒定值，在牽引電機線速度的基礎上增加一個疊加量，即超速值，一般按照10豫作為疊加量，可以在人機界面中設定，收卷電機的初始速度通過最小卷徑計算給出，將這個速度作為收卷電機的轉速初始設定值，通過通訊給定到S120變頻器中，當然轉換到電機軸的轉速還要乘以電機的減速比I。當收卷運行中，收卷電機的轉速給定值通過當前計算的卷徑和當前線速度計算得出，再通過通訊給到收卷S120 變頻器中。

（8）其他影響因素

為使電機的動態響應快，在S120 變頻器中要將收卷電機的加減速時間減少。

在給定張力上位機改變時，如果直接將設定力矩給到收卷電機軸，收卷電機就會出現力矩突變，速度也會出現突變，造成斷膜或者膜松下來，為了解決這個問題，在收卷張力設定值給到電機軸上的力矩要做一個上升和下降梯度，上升和下降梯度幅度根據實際情況調整。

2.3 程序設計

PLC 程序設計主要采用西門子梯形圖語言進行編程，主程序寫在PLC 的OB1 中，主程序中調用張力控制程序，張力控制程序中調用各個子程序完成張力控制數據計算，張力控制程序計算的結果寫入到S120 變頻器中，完成張力控制。為了完善程序的控制，在子程序中還可以添加斷膜檢測功能，在正常收卷過程中，收卷電機的轉矩實際值如果小于等于當前轉速下的活動摩擦力，且設定力矩和實際力矩相差小于0.5，可以判斷出當前收卷軸上沒有膜，收卷過程已經斷膜。主體思路如圖3 所示。

圖3 控制原理圖

3 實際應用

2018年四川高分子實驗生產線上收卷就采用的無張力傳感器的張力開環控制，設備運行正常，張力控制穩定，達到了生產線驗收標準，客戶相當滿意。2021年在安徽用戶生產線中，張力收卷采用的是張力傳感器做張力顯示，收卷張力采用開環控制，包含有張力的錐度控制，收卷張力波動小，穩定性后，收卷平整，取得了良好的效果。

4 結語

收卷的控制直接影響收卷薄膜的質量，收卷薄膜的質量除了受張力大小因素影響還跟薄膜的材料、溫度、收縮率以及薄膜厚度均勻性都有關系，因此，設定的收卷張力必須與薄膜的特性相適應。薄膜的收卷主要由表面卷曲和中心卷曲。在小分切系統中多采用表面卷曲方式，在雙拉生產線中一般采用中心卷曲方式。中心卷曲方式又包括有張力傳感器的閉環控制和無張力傳感器的開環控制，采用浮動輥的速度控制模式。采用浮動輥的速度控制模式設備結構復雜，需要無摩擦氣缸配合使用，而有無張力傳感器的開閉環控制需要很小的減速比或者不需要減速機，直接采用直驅電機控制，結構相對簡單。為了減少收卷軸的動摩擦力，目前,筆者的公司正在使用直驅電機直接驅動收卷卷芯的方式，大大減少了之前皮帶和齒輪傳動的滑動摩擦力，給到電機軸的力矩很小的情況下就可以驅動收卷軸運行，從而實現低張力和微張力收卷，效果很好。

子程序和庫程序的調用大大減少了程序設計工作量，程序的結構化設計很容易擴展，可以輕松實現雙工位收卷。而且張力控制程序也可以運用到放卷控制中，通用性很好。