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陳忠華

1  前言

    雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線的產(chǎn)品類型很多，現(xiàn)在國內(nèi)應(yīng)用最多的主要有兩種，即雙向拉伸聚酯薄膜生產(chǎn)線（縮寫為BOPET生產(chǎn)線）和雙向拉伸聚丙烯薄膜生產(chǎn)線（縮寫為BOPP生產(chǎn)線）。由于這兩種薄膜產(chǎn)品有比較高的機(jī)械強(qiáng)度，良好的電氣性能，又是透明、無毒、阻氧和阻水蒸氣，回收時不污染環(huán)境。因此，在工業(yè)和民用領(lǐng)域得到最廣泛的應(yīng)用。主要用于食品、紡織品、卷煙等的外包裝，電影膠片、醫(yī)用X光片、錄像帶、錄音帶、黏膠帶的基材和各種絕緣材料（例如，替代電容器紙的介質(zhì)材料，電機(jī)的槽絕緣材料、槽楔和各種復(fù)合絕緣材料）。

    近年來的雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線使用的控制系統(tǒng)，都應(yīng)用了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)技術(shù)、組態(tài)監(jiān)控軟件、PLC控制器、現(xiàn)場總線等最新技術(shù)。例如，SIEMENS公司的SIMATIC產(chǎn)品，其中包括S5和S7系列的PLC，SIMOVERT和SIMOREG交、直流傳動裝置，PROFIBUS現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，HMI操作面板和WinCC組態(tài)監(jiān)控軟件。本文將就筆者2001年為常州絕緣材料總廠實施的2米BOPET生產(chǎn)線和2002年為河北景縣實施的4.6米BOPP生產(chǎn)線，作為實例，就計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等新技術(shù)應(yīng)用于雙向拉伸薄膜控制系統(tǒng)的設(shè)計、制造情況作一介紹。

圖1 河北景縣的4.6米BOPP生產(chǎn)線的車間全貌

2  生產(chǎn)線的組成

下面以BOPET生產(chǎn)線為例，介紹生產(chǎn)線的主要組成和對控制系統(tǒng)的要求。

(1)  聚酯（PET）切片干燥系統(tǒng)
    聚酯（PET）切片干燥系統(tǒng)的主要功能是去除聚酯切片中的水分，干燥系統(tǒng)有兩種方案，一種是連續(xù)干燥法，另一種是真空轉(zhuǎn)鼓（有8m3和4m3規(guī)格）干燥法，這兩種方案均能達(dá)到預(yù)期的效果。

(2)  擠出機(jī)系統(tǒng)
    擠出機(jī)系統(tǒng)的主要功能是將聚酯切片、加熱、熔融、擠出。擠出機(jī)系統(tǒng)也有兩種設(shè)計方案，一種是串聯(lián)擠出機(jī)方案，另一種是擠出機(jī)-計量泵方案，前者是兩臺擠出機(jī)串聯(lián)在一起，第一臺擠出機(jī)作熔融擠出機(jī)用，后一臺擠出機(jī)作計量擠出機(jī)，用來穩(wěn)定擠出量，其效果是和擠出機(jī)-計量泵方案一樣的。

(3)  過濾器和熔體管系統(tǒng)
    過濾器分粗過濾器和精過濾器兩級，主要用來去除聚酯熔體中的雜質(zhì)。熔體管用來連接過濾器和模頭，并起保溫作用。

(4)  衣架式模頭
    經(jīng)熔融、擠出的聚酯熔體，經(jīng)過過濾器、熔體管，進(jìn)入衣架式模頭，形成片狀流體，流延到鑄片輥上。模頭能夠控制片狀流體的斷面形狀，自動模頭還具有控制薄膜橫向厚度公差的功能。另外，共擠式模頭還能形成多層共擠的片流。

(5)  鑄片系統(tǒng)
    鑄片系統(tǒng)（又稱急冷輥系統(tǒng)）是將模頭流延下來的片流，在靜電吸附裝置（BOPET生產(chǎn)線用）或氣刀（BOPP生產(chǎn)線用）的作用下，使片流緊貼鑄片輥，在鑄片輥上急劇冷卻（淬冷），形成結(jié)晶顆粒非常小的聚酯厚片，為以后的雙向拉伸創(chuàng)造條件。鑄片輥是直徑很大的輥筒，輥筒表面的光潔度要求非常高，內(nèi)部有雙向螺旋夾套，循環(huán)冷卻水經(jīng)夾套，帶走鑄片輥表面的大量熱量，達(dá)到聚酯片流急劇冷卻的效果。對鑄片輥的傳動裝置，要求有很高的精度和穩(wěn)定性，因為，它將直接影響到厚片和薄膜的縱向厚度公差。

(6)  縱向拉伸系統(tǒng)（MDO系統(tǒng)）
    縱向拉伸系統(tǒng)是由一組輥筒組成，有預(yù)熱輥組、拉伸輥組和冷卻輥組等，輥筒的結(jié)構(gòu)和鑄片輥雷同，用水循環(huán)或油循環(huán)進(jìn)行預(yù)熱或冷卻，拉伸輥組由慢速輥、快速輥、壓輥組成，利用快、慢兩個輥筒的速度差，將厚片進(jìn)行縱向拉伸，拉伸倍數(shù)在3至4倍間任意可調(diào)（BOPP生產(chǎn)線的拉伸倍數(shù)為4到6倍）。拉伸輥的上、下有遠(yuǎn)紅外加熱管進(jìn)行局部加熱，使拉伸點的溫度達(dá)到拉伸工藝溫度。

(7)  橫拉伸系統(tǒng)（TDO系統(tǒng)）
    橫拉伸系統(tǒng)是一個大型的保溫箱，長幾十米，寬度根據(jù)拉伸線的幅寬而定。保溫箱內(nèi)安裝有左、右兩組夾子和傳動鏈條，夾子和鏈條在水平導(dǎo)軌上運(yùn)動，并呈喇叭形展開，橫拉伸入口處較窄，逐漸展寬，最后達(dá)到拉伸幅寬。橫拉伸也分預(yù)熱段、拉伸段和定型段，每一段由鼓風(fēng)機(jī)、電加熱器或中壓蒸汽加熱器加熱和熱風(fēng)循環(huán)，達(dá)到設(shè)定的溫度。經(jīng)過縱向拉伸的片材，進(jìn)入橫拉伸入口，其兩邊被橫拉伸左、右鏈條的夾子夾住，帶動片材逐漸展開，完成橫向拉伸，最后形成寬膜。

(8)  牽引系統(tǒng)
    牽引系統(tǒng)是橫拉伸和收卷之間的過渡裝置，在牽引部位安排有切邊機(jī)構(gòu)、展平裝置、測厚掃描架、電暈處理裝置和靜電消除裝置。牽引輥筒也通過循環(huán)冷卻水，使橫拉伸出口的薄膜，進(jìn)一步得到冷卻。

(9)  雙工位轉(zhuǎn)塔式收卷裝置
    收卷裝置完成對薄膜的恒張力（或隨著卷徑的變化，控制張力使按設(shè)定的規(guī)律變化）收卷。轉(zhuǎn)塔式收卷裝置能保證薄膜滿卷時自動或半自動換卷，不會中斷收卷。

(10)  分切機(jī)組
    分切機(jī)組是生產(chǎn)線以外的獨(dú)立機(jī)組。完成將收卷后大母卷薄膜，分切成按用戶要求的寬度和長度的成品卷膜。

3  對控制系統(tǒng)的基本要求

圖2 河北景縣5000噸BOPP生產(chǎn)線控制系統(tǒng)配置圖

對雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線的控制，主要有以下一些內(nèi)容：
?生產(chǎn)線的傳動控制；
?生產(chǎn)線的工藝溫度控制；
?薄膜厚度的測量和厚度均勻性的計算機(jī)反饋控制；
?收卷機(jī)組的張力控制和分切機(jī)組的操作控制；
?生產(chǎn)線的操作控制和在中央控制室的計算機(jī)監(jiān)控。
本文主要介紹生產(chǎn)線的傳動控制、收卷的張力控制、生產(chǎn)線的操作控制和計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

(1)  生產(chǎn)線的傳動控制
    生產(chǎn)線的傳動控制，除了要求每一個傳動單元有很高的傳動精度（例如，0.1%以上）和穩(wěn)定性以及比較大的調(diào)速范圍外，最主要的還要求有生產(chǎn)線的速度協(xié)調(diào)控制。生產(chǎn)線的速度協(xié)調(diào)控制是指從急冷輥至牽引各分部之間的速度協(xié)調(diào)，其中縱拉慢與縱拉快之間要保持一定的拉伸倍數(shù)關(guān)系。

圖3  BOPET（或BOPP）生產(chǎn)線傳動速度鏈關(guān)系圖

    圖3是BOPET（或BOPP）生產(chǎn)線傳動速度鏈的關(guān)系圖。圖上DB10數(shù)據(jù)塊中的各個數(shù)據(jù)字存放了各個傳動分部的速度給定值，其中DB10.D_3、DB10.D_18、DB10.D_88、DB10.D_89是由MP270操作面板或上位計算機(jī)監(jiān)控畫面直接設(shè)定。其它數(shù)據(jù)通過浮點運(yùn)算生成。整個運(yùn)算程序和D/A轉(zhuǎn)換均由S7 400 PLC（或S7 300 PLC）來實現(xiàn)。
圖3上厚片張力平衡信號和厚膜張力平衡信號是由張力傳感器給出的信號，用來控制急冷輥與縱拉慢速輥之間的張力，以及縱拉快速輥和橫拉伸之間的張力。

    在圖3上，各個傳動單元的速度設(shè)定值，采用的是模擬量輸入信號。如果通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，各個傳動單元的速度設(shè)定值，將直接以數(shù)字量方式從PLC傳送給傳動單元，其精度更高，而且不受環(huán)境溫度和漂移的影響。

(2)  收卷的張力控制
    雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線的收卷是連續(xù)收卷，由于每一種規(guī)格薄膜的生產(chǎn)線速度是恒定的，它是由急冷輥的線速度和縱拉伸的拉伸倍數(shù)來決定的，但不同規(guī)格的薄膜，由于急冷輥的線速度或拉伸倍數(shù)不一樣，生產(chǎn)線的線速度也不一樣。收卷系統(tǒng)首先要能適應(yīng)在各種線速度下都能收卷，其次由于各種薄膜的規(guī)格不同，收卷時要求的張力也不一樣，因此，收卷系統(tǒng)應(yīng)該滿足能任意設(shè)定和控制張力，在收卷過程中，隨著卷徑的增大，收卷輥的轉(zhuǎn)速要自動下降，以保持收卷的張力恒定或者讓張力隨卷徑的變化按某種規(guī)律變化。
    為了實現(xiàn)這些要求，筆者選用了SIEMENS的T400工藝板和SPW420軸卷繞軟件(訂貨號：6DD1842-0AA0)。圖4是雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線收卷的組態(tài)圖。具體的參數(shù)設(shè)定如下：H069＝KR0321，生產(chǎn)線線速度設(shè)定值，由模擬量輸入端子2（T400工藝板端子92/93）輸入，即牽引分部的線速度值；

圖4  雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線收卷系統(tǒng)的組態(tài)圖

H094＝KR0321，生產(chǎn)線線速度設(shè)定值，用來進(jìn)行卷徑計算；
H154＝1，置速度給定的斜坡函數(shù)發(fā)生器無效；
H045＝B2001，輸入，Off1/On命令置1，系統(tǒng)操作On；
H282＝0，速度控制方式是由CU板（而不是由T400板）來執(zhí)行；
H887＝1，PROFIBUS-DP的控制字1 (control word 1)不起作用；
H888＝1，Peer-to-Peer的控制字1 (control word 1)不起作用；
H500＝KR0340，由T400板向CU板發(fā)送數(shù)據(jù)字2，將T400板運(yùn)算得到的速度給定值發(fā)送給CU板，作為CU板速度控制器的給定值；
P625＝K3002，CU板選擇速度控制器的設(shè)定點源，來自接收數(shù)據(jù)（Receive data word 2）；
H021＝B2001，輸入命令，H021＝1由系統(tǒng)操作命令進(jìn)行操作；
H081＝KR0320，張力給定值，由T400板上的模擬輸入1(端子90/91)輸入；
H085＝KR0322，張力實際值，由T400板上的模擬輸入3（端子94/99）輸入；
H203=1.0，選擇張力控制方式，H203＝1.0控制方式為通過張力傳感器和力矩限幅進(jìn)行直接張力控制；
H610=KR0313，輸入，正向力矩限幅(由T400板的張力控制器的輸出給出）；
H611=KR0313，輸入，反向力矩限幅(由T400板的張力控制器的輸出給出）；
H502=KR0556，輸出，正向力矩限幅，由T400板通過發(fā)送字6，傳送至CU板；
H503=KR0557，輸出，反向力矩限幅，由T400板通過發(fā)送字7，傳送至CU板；
P605＝K3006，CU板選擇正向力矩限幅的設(shè)定點源，來自接收數(shù)據(jù)字6(Receive data word 6）；
P606＝K3007，CU板選擇反向力矩限幅的設(shè)定點源，來自接收數(shù)據(jù)字7( Receive data word 7）；
H022＝B2004，張力控制允許，由T400板數(shù)字輸入2（端子54）進(jìn)行控制；
H023=B2005，張力控制禁止，由T400板數(shù)字輸入3（端子55）進(jìn)行控制；
H035=B2004，張力控制方式（B2004=1）,力矩限幅值是由KR0313給出,在速度控制方式時（B2004=0），力矩限幅值是由H147的值給出；
H043=B2001，卷繞方式選擇，H043＝1為收卷方式，H043＝0為放卷方式；
U734.02=K0167，從CU主板發(fā)送速度實際值到T400板的接收字2，放在KR0550參數(shù)中；
H092=KR0550，KR0550經(jīng)過濾波后送KR0307作為卷徑計算的收卷輥實際速度輸入信號；
H098=KR0310，實際卷徑值連接到T400板的模擬量輸出2（端子 98/99）；
H147=0.4，在速度控制方式給出的力矩限幅值；
H200=2.0，在張力控制方式張力給定值的乘數(shù)因子。

(3)  生產(chǎn)線的監(jiān)控系統(tǒng)
    在河北景縣的年產(chǎn)5 000噸BOPP薄膜生產(chǎn)線上，筆者用WinCC組態(tài)軟件，作為生產(chǎn)線的監(jiān)控軟件，在中央控制室中配置有WinCC服務(wù)器(64K Tag)和WinCC客戶機(jī)（128K Tag）組態(tài)軟件以及服務(wù)器-客戶機(jī)的WinCC選件，通過CP1613通訊板和OLM光連接部件，連接成Ethernet光環(huán)網(wǎng)絡(luò)，下接3臺S7 400PLC（每一臺PLC配置有CP443-1以太網(wǎng)通信模板）和1臺S7 300 PLC（配置有CP343-1以太網(wǎng)通信模板），此外，每一臺PLC分別有自己的PROFIBUS－DP網(wǎng)絡(luò)，各自控制擠出機(jī)組的傳動和溫控、生產(chǎn)線的傳動和操作控制、生產(chǎn)線的溫控和相應(yīng)操作、收卷系統(tǒng)的張力控制和操作（見圖2）。通過WinCC的畫面，對生產(chǎn)線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、參數(shù)設(shè)定和修改、故障和事件報警記錄，此外，還有工藝參數(shù)的趨勢曲線和工藝配方等功能。

    在常州的BOPET生產(chǎn)線上，監(jiān)控操作比較簡單，用了兩臺MP270多功能操作面板，一臺對生產(chǎn)線系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，另一臺對收卷系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

圖5  用WinCC組態(tài)軟件建立的BOPP
  生產(chǎn)線速度鏈監(jiān)控畫圖面

圖6  在MP270操作面板上建立的BOPET
生產(chǎn)線速度協(xié)調(diào)控制操作監(jiān)控畫面

4  結(jié)語

    常州絕緣材料總廠有限公司的BOPET生產(chǎn)線和河北景縣的BOPP生產(chǎn)線，控制系統(tǒng)的各項功能和技術(shù)指標(biāo)完全達(dá)到了設(shè)計的要求。由于上述生產(chǎn)線應(yīng)用了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場總線，人-機(jī)接口操作面板，PLC控制器，全數(shù)字交、直流傳動裝置以及組態(tài)監(jiān)控軟件等一系列新技術(shù)，不僅滿足了生產(chǎn)線工藝對控制提出的各種要求，而且運(yùn)行穩(wěn)定，工人操作方便、直觀，更換產(chǎn)品品種時調(diào)整的時間很短。使用這套控制系統(tǒng)后，不僅保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，而且使產(chǎn)量超過了設(shè)計能力，給工廠帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。