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吹塑機自動風環原理及應用



  在吹塑薄膜生產過程中,薄膜厚薄均勻度是一個很關鍵的指標,其中縱向厚薄均勻度可以通過擠出和牽引速度穩定性加以控制,而薄膜橫向厚薄均勻度一般依耐于模頭精密制造,且隨著生產工藝參數變化而變化,為了提高薄膜橫向厚薄均勻度,須引進自動橫向厚薄控制系統,常用控制方法有自動模頭(熱膨脹螺絲控制)和自動風環,這里主要介紹自動風環原理與應用。

1.基本原理:

  自動風環結構上采用雙風口方式,其中下風口風量保持恒定,上風口圓周上分為若干個風道,每個風道由風室、閥門、電機等組成,由電機驅動閥門調整風道開口度,控制每個風道風量大小。
  控制過程中,由測厚探頭檢測到薄膜厚薄信號傳送到計算機,計算機把厚薄信號與當前設定平均厚度進行對比,根據厚薄偏差量以及曲線變化趨勢進行運算,控制電機驅動閥門移動,當薄膜偏厚時,電機正向移動,風口關小;相反,電機反向移動,風口增大,通過改變風環圓周上各點風量大小,調整各點冷卻速度,使薄膜橫向厚薄偏差控制在目標的范圍。

2.控制方案設計
  
  自動風環是一種在線實時控制系統,系統被控對象為分布在風環上的若干個電機。由風機送來的冷卻氣流經風環風室恒壓后分配到每個風道上,由電機驅動閥門作開合運動以調整風口及風量的大小,改變模頭出料處膜坯的冷卻效果,從而控制薄膜厚度,從控制過程看,薄膜厚度變化與電機控制量之間找不到明確關系,不同厚度薄膜以及閥門不同位置厚薄變化與控制量之間程非線性無規律變化,每調整一個閥門時對相鄰點影響都很大,且調整有滯后性,使不同時刻之間又互相關聯,對于這種高度非線性、強耦合、時變性和控制不確定性系統,其精確數學模型幾乎無法建立,即使能建立數學模型,也非常復雜,難以求解,以致沒實用價值,而傳統控制對較確定控制模型控制效果較好,而對于高度非線性,不確定性,復雜反饋信息控制效果很差甚至無能為力。鑒于此我們選擇了模糊控制算法。同時采用改變模糊量化因子方式更好適應系統參數的改變。

3.模糊控制結構原理及實施

模糊控制工作原理:
  模糊控制過程中,根據厚度設定值s與反饋值y的偏差量e以及偏差量的變化率e’,按模糊控制算法運算,得出輸出控制量u,再轉換為電機控制脈沖,驅動閥門開口量,調整風量,控制薄膜厚薄度。
  實際控制過程中,偏差量e及偏差量的變化率e’分別乘以量化因子Ke,Ke’得出模糊量E,E’再調用查表程序,從控制表中查出對應模糊控制量的輸出值u,再乘以量化因子Ku得出實際控制量。
  模糊控制量表是根據現場調試經驗總結出來的控制規律,利用輸入輸出各量的隸屬函數表,計算出不同的E、E’和U對應的模糊關系,并將它們關系合并,再經過合并運算,求出各種輸入狀態所對應的控制決策的隸屬函數向量,然后由隸屬函數最大原則進行判斷,得出相應控制量模糊值U,當求出各種輸入狀態所對應模糊控制量輸出值時,就可以得出模糊控制量表。
  為了使薄膜不同工藝參數下能得到較好控制效果,量化因子Ke、Ke′、Ku根據系統參數改變而自動調節,在調試過程中,量化因子Ke、Ke′、Ku對控制系統性能指標影響規律如下:a)Ke越大,穩態情況下誤差較小,系統響應越快,但超調量會增加,甚至產生厚薄振動現象,Ke越小則反之;b)Ke’越大,系統快速性能減低,反映較慢,超調量會減小,對偏差量的變化率靈敏度增加,Ke`越小則反之;c)Ku越大,系統響應越快,超調量會增加,對輸出的反映最為明顯。

根據以上規律,為了顧及系統快速動態性能和靜態精度,運行過程中依據對被控制對象偏差值大小,對量化因子Ke、Ke’、Ku進行動態修改,修改方法是預先對于不同偏差值的各個量化因子Ke、Ke’、Ku設置相應分段曲線,控制過程中通過偏差值對應找出Ke、Ke’、Ku,各條曲線是在生產過程中根據經驗調整后得出。

控制過程中另一個難點是自動找點,厚度檢測反饋信號與風環上風道是否對應將影響整個控制,每一次投入自動前都必須做一次自動找點,控制上是選擇檢測到曲線中變化比較平緩,且較能反映控制效果的那一段區域做為檢測對象,將相鄰3個風道風量調小,其中中間風道為全關閉狀態,左右開口度為50%,經過幾周掃描測量穩定后,檢測出區域內最薄點,該點就是對應全關閉狀態的風道,控制軟件再根據檢測出來的偏移量進行補償,另外,自動找點還與旋轉牽引旋轉速度,旋轉方向,以及測厚傳感器旋轉速度,旋轉方向有關,軟件對這些都要進行補償。

4.系統組成

電氣控制系統由旋轉掃描式測厚傳感器、計算機、工業控制器(PCC)、顯示器、驅動器、控制器及電機、風道風口位置檢測傳感器等組成。

5.硬件簡介

旋轉掃描式測厚傳感器采用電容式測厚儀,根據不同厚度薄膜介電常數不同原理進行測量,測量范圍為0~200um,本系統采用計算機、PCC控制器。其中cpu采用CP380,CP476,步進控制采用高速I/O模塊DO135,開關輸入輸出采用DM465模塊,系統采用多cpu CAN網絡總線結構,計算機與PCC之間采用以太網連接,PCC與掃描式測厚傳感器之間采用PCD-LINK通訊方式傳輸數據,CP380主要進行數據采集運算處理,CP476,DO135主要完成步進電機驅動控制,計算機主要完成測厚傳感器數據采集、運算、統計、歷史數據記錄,運行狀態監控等。

經過多次試驗、調試,自動風環研發獲得成功,從使用情況上,可以使吹塑薄膜厚薄均勻都提高3~5%,平均極限偏差達到4%,取得較好控制效果。

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