雙向拉伸薄膜厚度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和MCGS仿真

1、雙向拉伸薄膜厚度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和MCGS仿真李楊帆，蔣品群，李廷會(huì)，羅曉曙，隆媛媛(廣西師范大學(xué)電子工程學(xué)院廣西桂林541004)0引言隨著我國(guó)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品業(yè)和包裝業(yè)等的快速發(fā)展，塑料薄膜的使用越來越廣，對(duì)其要求也越來越高。雙向拉伸聚丙烯(BiaxiallyorientedPolypropylene，BOPP)薄膜是近年來興起的一類非常重要的軟包裝材料，因抗拉伸強(qiáng)度高，耐沖擊、透明性好，防水、防銹、環(huán)保，而廣泛應(yīng)用于食品、糖果、香煙、茶葉、果汁、牛奶、紡織品等的包裝，贏得了“包裝李楊帆，蔣品群，李廷會(huì)，羅曉曙，隆媛媛(廣西師范大學(xué) 電子工程學(xué)院 廣西 桂林 541004)0 引 言隨著我國(guó)

2、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品業(yè)和包裝業(yè)等的快速發(fā)展，塑料薄膜的使用越來越廣，對(duì)其要求也越來越高。雙向拉伸聚丙烯(Biaxially oriented Polypropylene，BOPP)薄膜是近年來興起的一類非常重要的軟包裝材料，因抗拉伸強(qiáng)度高，耐沖擊、透明性好，防水、防銹、環(huán)保，而廣泛應(yīng)用于食品、糖果、香煙、茶葉、果汁、牛奶、紡織品等的包裝，贏得了“包裝皇后”的美稱。雙向拉伸薄膜技術(shù)，在國(guó)外發(fā)展迅速，并日趨完善，如德國(guó)的BRUECKNER公司、日本的三菱公司、法國(guó)的TMD公司等已具備很高的水平，但是價(jià)格昂貴。與國(guó)外相比，由于起步晚和國(guó)外的技術(shù)封鎖，國(guó)內(nèi)雙向拉伸聚丙烯薄膜生產(chǎn)線的厚度控制精度還很低，產(chǎn)品

3、質(zhì)量不高，高質(zhì)量薄膜生產(chǎn)線主要進(jìn)口國(guó)外的成套薄膜生產(chǎn)設(shè)備。這不僅使國(guó)內(nèi)成套薄膜生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)檔次難以提高，而且對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益也產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。因此，研制國(guó)產(chǎn)的雙向拉伸薄膜厚度控制系統(tǒng)，已成為一項(xiàng)非常緊迫的戰(zhàn)略性任務(wù)。MCGS軟件是一套可運(yùn)行于Windows 98NT2000等多種操作系統(tǒng)，用于快速構(gòu)造和生成監(jiān)控系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)工控組態(tài)軟件。為了提高國(guó)產(chǎn)雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線的控制精度和自動(dòng)化水平，本文參照桂林電器科學(xué)研究所BOPP2500型薄膜生產(chǎn)線，采用MCGS軟件，結(jié)合PID控制算法，設(shè)計(jì)和仿真了一個(gè)雙向拉伸薄膜厚度測(cè)控系統(tǒng)。1 雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)與厚度控制方法1.1 薄膜

4、生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)完整的雙向拉伸塑料薄膜生產(chǎn)線如圖1所示，可分為擠出成型(EXTCR)、縱向拉伸(MDO)、橫向拉伸(TDO)、牽引處理(PRS)和卷取(WD)五大部分。其工作過程：薄膜原料，即塑料粒子由投料口投入，經(jīng)加熱熔化后由擠出機(jī)將液態(tài)原料送到模頭，通過模頭唇口處熱膨脹螺栓擠出，經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)鼓冷卻成為固體狀厚片，該厚片經(jīng)同步傳動(dòng)系統(tǒng)傳送，首先通過縱向拉伸，使厚片變薄，然后經(jīng)橫拉機(jī)進(jìn)行橫向拉伸，使薄膜進(jìn)一步變薄變寬，最后通過定型、收卷得到成品膜。其厚度控制部分由掃描儀、PLC和控制計(jì)算機(jī)組成。生產(chǎn)線采用第一厚度掃描儀檢測(cè)厚片的橫向厚度，第二掃描儀檢測(cè)成品膜的縱向厚度，并分別送至各自的PLC進(jìn)行數(shù)值變

5、換和補(bǔ)償計(jì)算，再經(jīng)主計(jì)算機(jī)中的控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算后，輸出控制信號(hào)，用以調(diào)整模頭螺栓的溫度，進(jìn)行橫向厚度的控制；調(diào)整冷卻轉(zhuǎn)鼓的速度，進(jìn)行縱向厚度的控制。1.2 厚度控制方法(1)薄膜橫向厚度控制系統(tǒng)是一個(gè)多輸入、多輸出的復(fù)雜系統(tǒng)。將每一個(gè)模頭螺栓看成一個(gè)獨(dú)立的控制回路，仍然用經(jīng)典的PID調(diào)節(jié)器對(duì)其進(jìn)行控制。薄膜橫向厚度控制方框圖如圖2所示，第一測(cè)厚儀測(cè)得的拉伸薄膜橫向厚度經(jīng)濾波后，與設(shè)定值比較，得到一個(gè)誤差值，再通過PID調(diào)節(jié)器，改變模頭螺栓加熱占空度，從而改變擠出口孔大小，達(dá)到控制薄膜橫向厚度的目的。(2)薄膜縱向厚度控制方框圖如圖3所示。第二測(cè)厚儀測(cè)得的薄膜縱向厚度平均值經(jīng)濾波后，與設(shè)定值比較

6、，得到誤差信號(hào)，再通過PID調(diào)節(jié)器，改變冷卻轉(zhuǎn)鼓的線速度，從而達(dá)到控制薄膜縱向厚度的目的。1.3 PID控制算法采用PID控制方法調(diào)節(jié)螺栓加熱占空度和冷鼓線速度，從而控制薄膜橫向厚度和縱向厚度。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)厚度設(shè)定值rin(t)與實(shí)際輸出值yout(t)構(gòu)成的控制偏差：式中：Kp為比例系數(shù)；Tl為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。只要在控制系統(tǒng)中根據(jù)被控對(duì)象設(shè)置合適的PID參數(shù)，就可以達(dá)到有效控制的目的。2 MCGS的組態(tài)設(shè)計(jì)和控制界面構(gòu)成2.1組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)根據(jù)雙向拉伸薄膜厚度測(cè)控系統(tǒng)的構(gòu)成及控制性能要求，利用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)出雙向拉伸薄膜厚度測(cè)控系統(tǒng)，可安裝在測(cè)

7、厚儀主計(jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)控制。MCGS軟件為用戶提供了從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理、流程控制、動(dòng)畫顯示、報(bào)警策略以及報(bào)表輸出等解決實(shí)際工程的完整方案和操作工具。采用MCGS組態(tài)軟件所建立的雙向拉伸薄膜厚度測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。(1)主控窗口的組態(tài)在MCGS的“主控窗口”中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，定義和設(shè)置了“系統(tǒng)管理”、“主界面”、“橫向厚度手動(dòng)調(diào)節(jié)”、“縱向厚度手動(dòng)調(diào)節(jié)”、“系統(tǒng)配置”等菜單項(xiàng)。(2)設(shè)備窗口的組態(tài)連接和驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備的工作環(huán)境，可在其中添加PLC等外部硬件設(shè)備和模擬設(shè)備。在通道連接窗口中，將AD，DA通道和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對(duì)象對(duì)應(yīng)連接起來。(3)用戶界面的組態(tài)用戶窗口包括主界面

8、、橫向厚度控制界面、縱向厚度控制界面和溫度顯示界面、系統(tǒng)配置界面。這些畫面均是在MCGS的“用戶窗口”中利用繪圖工具進(jìn)行設(shè)計(jì)組態(tài)。MCGS可視化的圖形功能可以方便地建立所設(shè)計(jì)的各種畫面，然后進(jìn)行動(dòng)畫連接，即建立畫面圖形對(duì)象與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)變量之間的關(guān)系，當(dāng)變量的值改變時(shí)，其對(duì)應(yīng)的圖形位置或狀態(tài)也隨之改變。(4)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的組態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是工程各個(gè)部分的數(shù)據(jù)交換與處理中心，它將工程的各個(gè)部分連接成有機(jī)的整體。在本窗口內(nèi)定義不同類型和名稱的變量，作為數(shù)據(jù)采集、處理、輸出控制、動(dòng)畫連接及設(shè)備驅(qū)動(dòng)的對(duì)象。數(shù)據(jù)變量是構(gòu)成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的基本單元，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的過程即是定義數(shù)據(jù)變量的過程。(5)運(yùn)行策略的組

9、態(tài)為實(shí)現(xiàn)橫向厚度和縱向厚度的PID閉環(huán)控制以及模擬橫向厚度和縱向厚度受控的實(shí)時(shí)變化，在運(yùn)行策略中添加算法策略。選擇“循環(huán)策略”類型的策略，在策略工具箱中選擇策略行條件屬性，然后編寫腳本程序。共有“橫向PID控制”策略、“縱向PID控制”策略、“橫向厚度”和“縱向厚度”策略四個(gè)策略組，分別按照?qǐng)D2和圖3中的閉環(huán)控制模型以及式(3)編寫。當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，設(shè)備輸入厚度值，策略行條件得到滿足，則執(zhí)行相應(yīng)的腳本程序。2.2控制界面的構(gòu)成雙向拉伸薄膜厚度測(cè)控系統(tǒng)的MCGS界面如圖5所示，包括主界面、橫向厚度手動(dòng)調(diào)節(jié)界面、縱向厚度手動(dòng)調(diào)節(jié)界面和系統(tǒng)配置界面。2.2.1 主界面主界面如圖5(a)所示，可顯示

10、薄膜厚度控制系統(tǒng)的厚度控制情況。上方部分為橫向厚度控制部分，表格顯示了橫向各點(diǎn)位的加熱占空度和厚度以及縱向平均厚度的數(shù)值；柱形圖顯示各螺栓對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的橫向厚度的變化情況。中間部分是縱向厚度控制部分，動(dòng)態(tài)曲線顯示了縱向平均厚度的曲線。在主界面底部有系統(tǒng)啟動(dòng)、停止、系統(tǒng)配置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。在橫向和縱向控制部分的右邊都有自動(dòng)調(diào)節(jié)和手動(dòng)調(diào)節(jié)的選項(xiàng)。當(dāng)按下“自動(dòng)調(diào)節(jié)”按鈕時(shí)，綠色指示燈亮，表示當(dāng)前處于PLC自動(dòng)控制狀態(tài)，自動(dòng)狀態(tài)即PLC進(jìn)行全自動(dòng)控制，不需要人工干預(yù)。如果運(yùn)行過程中對(duì)自控效果不滿意，需要切換到手動(dòng)時(shí)，可點(diǎn)擊“手動(dòng)調(diào)節(jié)”進(jìn)入手動(dòng)調(diào)節(jié)界面，此時(shí)紅色指示燈亮。2.2.2 橫向厚度手動(dòng)調(diào)節(jié)界面在橫向

11、厚度控制部分選擇需要調(diào)節(jié)的螺栓號(hào)，點(diǎn)擊“手動(dòng)調(diào)節(jié)”按鈕，進(jìn)入橫向厚度手動(dòng)調(diào)節(jié)，如圖5(b)所示。該界面顯示了橫向厚度的設(shè)定值、測(cè)量值、輸出值、螺栓加熱占空度和薄膜厚度的波形圖等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，用戶可根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)利用拉條隨時(shí)調(diào)整厚片設(shè)定厚度值和PID參數(shù)值。通過PID參數(shù)的設(shè)置，調(diào)整模頭加熱占空度，作為調(diào)節(jié)量來控制厚片厚度，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)橫向厚度的手動(dòng)調(diào)節(jié)。2.2.3縱向厚度手動(dòng)調(diào)節(jié)界面在縱向厚度控制部分點(diǎn)擊“手動(dòng)調(diào)節(jié)”，進(jìn)入縱向厚度手動(dòng)調(diào)節(jié)，如圖5(c)所示。此界面顯示了薄膜厚度、冷卻轉(zhuǎn)鼓線速度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)?？v向厚度系統(tǒng)的調(diào)節(jié)量是冷卻轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速。通過在此界面中調(diào)整PID參數(shù)來調(diào)節(jié)冷卻轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速，達(dá)到對(duì)薄

12、膜縱向厚度的手動(dòng)調(diào)節(jié)。2.2.4 系統(tǒng)配置界面系統(tǒng)配置界面如圖5(d)所示。系統(tǒng)配置包括螺栓數(shù)量的選擇，橫向厚度上下限范圍的設(shè)置，縱向厚度上下限范圍的設(shè)置，冷卻轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速上下限范圍設(shè)置等。用戶可根據(jù)自己的需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，如果超過設(shè)定范圍，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。2.3仿真研究參照BOPP2500型雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線的厚度參數(shù)，橫向厚度設(shè)定值在420440 m，縱向厚度值設(shè)定在490530m，加熱螺栓數(shù)設(shè)為10個(gè)，采用模擬設(shè)備模擬輸入測(cè)厚儀測(cè)出的薄膜厚度值，并對(duì)其進(jìn)行仿真控制?？v向和橫向厚度波形如圖*圖7所示，虛線為偏差值，中間粗線條為設(shè)定值，中間細(xì)線條為輸出值。模擬設(shè)備輸入振幅7.5 m的正弦波厚片厚度偏差和振幅15m的正弦波縱向厚度偏差，經(jīng)PID閉環(huán)控制后偏差小于等于0.2 m，厚度控制精度在0.5以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)控制效果良好。3結(jié) 語采用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的雙向拉伸塑料薄膜控制系統(tǒng)，相比用VC開發(fā)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。經(jīng)典PID控制器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)性能好，穩(wěn)定可靠，界面簡(jiǎn)單直觀、操作方便