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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(guó)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(xiě)為BOPET生產(chǎn)線）和雙向拉伸聚丙烯薄膜生產(chǎn)線（縮寫(xiě)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(wú)毒、阻氧和阻水蒸氣，回收時(shí)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(lái)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(jì)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(chǎng)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(dòng)裝置，PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)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(shí)施的2米BOPET生產(chǎn)線和2002年為河北景縣實(shí)施的4.6米BOPP生產(chǎn)線，作為實(shí)例，就計(jì)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(jì)、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(chē)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(duì)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(jì)方案，一種是串聯(lián)擠出機(jī)方案，另一種是擠出機(jī)-計(jì)量泵方案，前者是兩臺(tái)擠出機(jī)串聯(lián)在一起，第一臺(tái)擠出機(jī)作熔融擠出機(jī)用，后一臺(tái)擠出機(jī)作計(jì)量擠出機(jī)，用來(lái)穩(wěn)定擠出量，其效果是和擠出機(jī)-計(jì)量泵方案一樣的。

(3)  過(guò)濾器和熔體管系統(tǒng)
    過(guò)濾器分粗過(guò)濾器和精過(guò)濾器兩級(jí)，主要用來(lái)去除聚酯熔體中的雜質(zhì)。熔體管用來(lái)連接過(guò)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(guò)過(guò)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(dòng)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(lái)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(duì)鑄片輥的傳動(dòng)裝置，要求有很高的精度和穩(wěn)定性，因?yàn)椋鼘⒅苯佑绊懙胶衿捅∧さ目v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(gè)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(diǎn)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(gè)大型的保溫箱，長(zhǎng)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(dòng)鏈條，夾子和鏈條在水平導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，并呈喇叭形展開(kāi)，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(guò)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(dòng)片材逐漸展開(kāi)，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(guò)渡裝置，在牽引部位安排有切邊機(jī)構(gòu)、展平裝置、測(cè)厚掃描架、電暈處理裝置和靜電消除裝置。牽引輥筒也通過(guò)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(duì)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(shí)自動(dòng)或半自動(dòng)換卷，不會(huì)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(zhǎng)度的成品卷膜。

3  對(duì)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(duì)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(dòng)控制；
?生產(chǎn)線的工藝溫度控制；
?薄膜厚度的測(cè)量和厚度均勻性的計(jì)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(jì)算機(jī)監(jiān)控。
本文主要介紹生產(chǎn)線的傳動(dòng)控制、收卷的張力控制、生產(chǎn)線的操作控制和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

(1)  生產(chǎn)線的傳動(dòng)控制
    生產(chǎn)線的傳動(dòng)控制，除了要求每一個(gè)傳動(dòng)單元有很高的傳動(dòng)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(dòng)速度鏈關(guān)系圖

    圖3是BOPET（或BOPP）生產(chǎn)線傳動(dòng)速度鏈的關(guān)系圖。圖上DB10數(shù)據(jù)塊中的各個(gè)數(shù)據(jù)字存放了各個(gè)傳動(dòng)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(jì)算機(jī)監(jiān)控畫(huà)面直接設(shè)定。其它數(shù)據(jù)通過(guò)浮點(diǎn)運(yùn)算生成。整個(gè)運(yùn)算程序和D/A轉(zhuǎn)換均由S7 400 PLC（或S7 300 PLC）來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖3上厚片張力平衡信號(hào)和厚膜張力平衡信號(hào)是由張力傳感器給出的信號(hào)，用來(lái)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(gè)傳動(dòng)單元的速度設(shè)定值，采用的是模擬量輸入信號(hào)。如果通過(guò)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線，各個(gè)傳動(dòng)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(dòng)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(lái)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(shí)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(guò)程中，隨著卷徑的增大，收卷輥的轉(zhuǎn)速要自動(dòng)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(shí)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(hào)：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(lái)進(jìn)行卷徑計(jì)算；
H154＝1，置速度給定的斜坡函數(shù)發(fā)生器無(wú)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(lái)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(diǎn)源，來(lái)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(shí)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(guò)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(guò)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(guò)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(diǎn)源，來(lái)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(diǎn)源，來(lái)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(shí)（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(shí)際值到T400板的接收字2，放在KR0550參數(shù)中；
H092=KR0550，KR0550經(jīng)過(guò)濾波后送KR0307作為卷徑計(jì)算的收卷輥實(shí)際速度輸入信號(hào)；
H098=KR0310，實(shí)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(guò)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(tái)S7 400PLC（每一臺(tái)PLC配置有CP443-1以太網(wǎng)通信模板）和1臺(tái)S7 300 PLC（配置有CP343-1以太網(wǎng)通信模板），此外，每一臺(tái)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(dòng)和溫控、生產(chǎn)線的傳動(dòng)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(jiàn)圖2）。通過(guò)WinCC的畫(huà)面，對(duì)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(bào)警記錄，此外，還有工藝參數(shù)的趨勢(shì)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(jiǎn)單，用了兩臺(tái)MP270多功能操作面板，一臺(tái)對(duì)生產(chǎn)線系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，另一臺(tái)對(duì)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(huà)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(huà)面

4  結(jié)語(yǔ)

    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(xiàng)功能和技術(shù)指標(biāo)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。由于上述生產(chǎn)線應(yīng)用了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)總線，人-機(jī)接口操作面板，PLC控制器，全數(shù)字交、直流傳動(dòng)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(duì)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(shí)調(diào)整的時(shí)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(guò)了設(shè)計(jì)能力，給工廠帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。