引言

塑料制品自问世以来，随着科技的发展，已经逐渐渗透到人们日常生活中的各个方面，成为人们生活中不可或缺的材料，因此塑料薄膜生产设备也变得非常重要，塑料薄膜生产设备的发展与创新，已成为非常值得研究的科技发展方向，通过对该项目研究，不仅提升自身的科研能力，同时将项目转化为教学案例应用于“传感器与检测技术”、“PLC应用技术”等课程的教学中，有利于丰富教学内容，深化教学改革，促进教师和学生共同成长。

在当今塑料相关经济产业强劲发展下，催生出强大的需求和进步，生产品种越来越多，应用技术越来先进，科研能力也越来越深入、强劲，但是先进的高端设备的研发与生产相对落后，很多设备以仿制国外设备和技术居多，相关技术含量较低，设备能耗较高，生产速度不能与国外先进产品相比，控制水平较落后，智能化、无人化程度不高，性能不稳定等方面。由于现系统的解决方案缺乏整体网络化的结构，只能将单台塑料薄膜生产设备形成一个独立的本地网络，无法将整个现场所有的塑料薄膜生产设备形成一个监控网络，因此无法及时对现场问题进行报警和反馈，因而这些问题有待于解决。

浙江省在发展规划中也提出“到2025年，高端装备制造业成为全省重要的支柱产业，建成以创新引领、智能高效、绿色低碳、结构优化为核心特征的高端装备制造业体系，高端装备制造业发展水平位于全国前列，成为我国重要的高端装备制造基地”的目标。

本文在分析塑料薄膜生产设备的结构、工作过程、功能基础上，设计了工控塑料薄膜生产设备的电控系统。采用的温度控制算法、张力控制方法和膜泡幅宽控制方法，可以有效地突破在干扰条件下的快速可靠传输数据及精度控制、保证牵引与收卷同步运行并通过触摸屏实现实时监控、保证挤出机的挤出速度与冷却风温度保持恒定。

1塑料薄膜生产设备

塑料薄膜生产设备由称重计量系统、塑料挤出机和辅机三部分组成。称重计量系统精确控制主料和辅料的添加比例。挤出机包括挤压系统、传动系统和加热冷却系统，不同的热塑性颗粒在挤出机中经加热及螺杆的混合、剪切作用，获得均匀塑化，并定量定压地挤向机头。辅机由换网装置、机头、自动风环装置、内冷却系统、稳泡装置、旋转人字板、自动收卷切割机等组成。塑化后的熔体自挤出机后，经换网装置净化进入机头，机头内各自的流道可将熔体均匀地流向机头的口模。上牵引装置位于机架的顶部，连接在旋转器装置上，随旋转器装置一同旋转。由机头吹制出呈圆桶状的塑料膜泡，通过冷却系统后进入人字板、上牵引，经牵引辊筒被夹扁，呈两层重叠的塑料薄膜，经旋转器、电晕处理机后被送往全自动收卷机。塑料薄膜生产设备在整个塑料吹膜过程中涉及到多个生产工艺环节，对各个部件进行精准控制和对运行过程中工艺参数及时监控是影响塑料薄膜产品质量的关键因素，也最终体现出了塑料薄膜生产设备的整体性能。比如：在温度控制方面，需保证塑料在挤出过程中受热均匀，温度过高，树脂容易分解，使薄膜发脆，温度过低，树脂塑化不良，薄膜拉伸强度降低，表面的光泽性、透明度差；收卷张力方面，张力的大小直接影响产品收卷的质量及效率，张力过大，收卷过紧，薄膜容易产生皱纹甚至拉断，张力不足，带入膜层的空气量过多，薄膜容易在里面产生轴向滑移及严重的错位。通过对塑料薄膜生产设备工作原理的分析，可以提炼出该设备的控制要求，吹膜控制作为实现整机的关键技术，其主要包括温度控制、张力控制、幅宽控制等内容。

2系统网络构架设计

            图1 系统拓扑图

根据中控各种控制平台及塑料薄膜生产设备控制系统的工艺研究与整个系统的控制要求，研究塑料薄膜生产设备的控制系统网络架构，以明确整个系统的控制方案，图1为塑料薄膜生产设备控制系统的网络架构，有PLC控制柜、内冷控制箱、牵引控制箱、卷取控制柜、传动控制柜及辅机控制柜组成；通过选择正确的电子元件及设备，研究控制方法，实现对塑料薄膜生产设备所加工的产品进行温度、张力、幅宽等控制，保证塑料在挤出过程中受热均匀，保证产品收卷的质量及效率，完成产品所需的幅宽自动控制。

3 关键工艺控制

3.1 温度控制算法

温度控制是薄膜生产中的关键环节，直接影响产品质量，研究具体的控制算法使得温度控制精确度更高，能根据产品设计需要选用合适的温度传感器，并通过温度采集模块，根据量程设置自动调整测量范围，实现高精度测量，选用高精度模数转换器，进行采样和过滤，并对冷端温度补偿以修正参数，得到更准确的温度值，温度控制采用PID参数调整实现对温度的控制，每个加热区均可独立设置PID控制参数，控制精度可以达到±1℃。

选用电热偶输入模块和多通道温度采集模块，采用支持E、J、K、N、T、B、S、R等热电偶信号，并具备自由量程功能，可根据量程设置自动调整测量范围，实现高精度测量。采用16位精度的AD芯片以获得更高的精度，并且AD转换技术利用了过采样和数字滤波技术，使之具备快速采样能力，对信号噪声和供电噪声有更好的抑制能力。在抗50Hz/60Hz工频干扰的配置情况下可以达到8通道1s的采样更新速率；而在快速采样的配置情况下（抗50Hz干扰）更可以达到8通道300ms的采样更新速率。同时通过修正冷端温度得到更准确的温度值。

利用温度传感器检测机筒、换网、连接套处加热区各点温度传感器值，并对每一路温度反馈形成PID调节，最终执行加热器对物料进行加热。另外选用固态继电器控制加热器的开关，因为固态继电器是无触点的控制器件，损坏率非常低，适合塑料薄膜生产设备工作加热时的频繁大电流接通。触摸屏则做为上位机完成各温度目标值的设定和实际值的显示。

3.2 膜泡幅宽控制

准备在膜泡的同一水平面上放置4个超声波传感器，检测膜泡在任何方向上的微小变动，通过计算设定膜幅宽与实际膜幅宽的偏差，采用PID调节内冷进风电机速度，使得膜泡幅宽自动跟踪。同时循环内冷控制保持进、出膜泡内的风量基本恒定，使膜泡稳定、膜泡幅宽准确。

使用4台超声波进行无接触式测量获得膜泡直径，同时结合挤出机的挤出速度、一次牵引速度、冷却风温度等参数，将这些数据统一输入到控制系统中，根据控制要求，编写PLC程序，将编好的正确程序下载至控制器，并将挤出机的挤出速度、一次牵引速度、冷却风温度等参数输入到PLC的输入端，执行预先编制好的运算程序，根据运算结构调整塑料薄膜生产设备相关部件，完成幅宽自动控制功能。

3.3 张力控制算法

为牵引薄膜，将其卷到收卷芯上，需给薄膜施加一定的拉伸，拉伸所需的牵引力即为张力，由于收卷张力的大小直接影响产品质量及效率，因而对其控制要求高。本系统研究张力的控制算法，保证卷取胶辊与吹膜出料的拉伸机构线速度同步，采用张力检测辊的张力信号反馈到变频器，研究算法调节控制收卷张力。

塑料薄膜生产设备系统具有摩擦收卷和中心收卷两种方式，本项目根据现场应用特点，采用摩擦收卷，即收料轴斜靠在卷取胶辊上，依靠卷取胶辊与收料轴之间的摩擦力来带动收料轴转动，从而将材料收在料轴上，材料张力与卷径无关。

由于收卷张力的大小直接影响产品收卷的质量及效率，因而上牵引辊与下牵引辊两者速度必须保持同步，采用张力传感器反馈速度差，保证薄膜在上下牵引辊之间保持同一张力。下牵引辊的速度反馈值作为摩擦卷的基本速度给定，通过浮锟位置信号反馈控制下牵引辊与收卷摩擦辊之间薄膜保持同一张力。采用变频器控制电机来驱动卷取胶辊，与吹膜出料的拉伸机构线速度同步，通过张力检测辊的张力信号反馈到变频器，实现PID调节控制收卷张力，具体如图2所示。

     图2：张力控制示意图

3.4 吹胀比控制

吹胀后膜泡的直径与未吹胀的管环直径之间的比值。吹胀比为薄膜的横向膨胀倍数，实际上是对薄膜进行横向拉伸，拉伸会对塑料分子产生一定程度的取向作用，吹胀比增大，从而使薄膜的横向强度提高。但是，吹胀比也不能太大，否则容易造成膜泡不稳定，且薄膜容易出现皱折。因此，吹胀比应当同牵引比配合适当才行，因此需要了解材料的吹胀比，一般来说，低密度聚乙烯薄膜的吹胀比应控制在2.5～3.0为宜。

3.5 牵引比控制

牵引比指薄膜的牵引速度与管环挤出速度之间的比值。牵引比是纵向的拉伸倍数，使薄膜在引取方向上具有定向作用。牵引比增大，则纵向强度也会随之提高，且薄膜的厚度变薄，但如果牵引比过大，薄膜的厚度难以控制，甚至有可能会将薄膜拉断，造成断膜现象。低密度聚乙烯薄膜的牵引比一般控制在4～6之间为宜。

3.6 冷却定型

膜管的冷却很重要，它经过吹胀后应立即风冷，若风冷却不好，薄膜会发粘而无法提膜，或者会在牵引辊压力作用下，互相粘结。因而冷却效果和冷却速度将直接影响到制品的质量和产量。

3.7 收卷

为了牵引薄膜，并将其卷到收卷芯上，必须给薄膜施加一定拉伸使其张紧的牵引力，其中张紧薄膜的力即为张力。通常由于薄膜的材料厚度、宽度及性能不同，选用的收卷方式也有不同，张力的大小也需要调整。

收卷张力的大小直接影响产品收卷的质量及效率。张力过大，收卷过紧，薄膜容易产生皱纹甚至拉断；张力不足，带入膜层的空气量过多，收卷料薄膜的密度小，薄膜容易在里面产生轴向滑移及严重的错位，以致造成卷边不齐。分切时放卷轴若产生大幅度摆动，会影响分切薄膜的质量。所以收卷机构必须具有良好的张力控制系统。

4 结束语

结合当前工业控制技术的发展趋势，针对国内外研究生产现状，解剖塑料薄膜生产设备工作过程中的控制要求，分析所需控制的相关参数，研究相应的控制算法。本项目通过控制方案设计，运用模糊控制算法实现各区域的温度控制，并通过对冷端温度进行修正，使控温更准；通过研究膜泡幅宽控制方法，选用合适的控制器，并根据控制要求进行软件编程，实现对膜泡的幅宽控制。采用张力传感器反馈速度差，通过PID控制算法，保证薄膜在上下牵引辊之间保持同一张力，实现塑料薄膜生产设备的收卷作业，最终实现塑料薄膜生产设备的控制要求，为方便管理和控制，实现一个监控网络，还进行了上位机的监控系统设计。

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