雙向拉伸薄膜厚度測控系統的設計和MCGS仿真

摘 要:以桂林電器科學研究所BOPP2500型薄膜生產線為原型，利用MCGS組態軟件和PID控制方法設計和仿真了一個雙向拉伸薄膜厚度測控系統。仿真結果表明，該測控系統可實時、精確地測量和控制雙向拉伸薄膜的厚度，提高薄膜產品的質量，且控制參數調整方便，控制效果、可視性和可維護性好，具有較大的應用價值，對于有效提高國產薄膜成套生產設備的行業競爭力有實際意義。

關鍵詞:雙向拉伸薄膜;厚度測控系統;MCGS仿真;PID控制

中圖分類號:TP273文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)01-163-04

Design and Simulation of a Biaxially Oriented Polypropylene Film

Thickness Measuring and Control System Based on MCGS

LI Yangfan，JIANG Pinqun，LI Tinghui，LUO Xiaoshu，LONG Yuanyuan

(College of Electronic Engineering，Guangxi Normal University，Guilin，541004，China)

Abstract:Taking the Guilin Electrical Equipment Research Institute′s BOPP2500 film production line as a prototype，a thickness measuring and control system of the biaxially oriented polypropylene film is designed and simulated based on MCGS configuration software as well as PID control method.The simulation results show that the control system can measure and control the thickness of film real-time and accurately to improve its quality.It can adjust the parameters easily，and control effectively，its visibility and maintainability are prime as well.It has a good application value and practical significance to effectively improving the competition of domestic film production facility in complete set.

Keywords:biaxially oriented polypropylene film;thickness control system;MCGS simulation;PID control

0 引 言

隨著我國工業、農業、食品業和包裝業等的快速發展，塑料薄膜的使用越來越廣，對其要求也越來越高。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，因抗拉伸強度高，耐沖擊、透明性好，防水、防銹、環保，而廣泛應用于食品、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[1，2]。雙向拉伸薄膜技術，在國外發展迅速，并日趨完善，如德國的BRUECKNER公司、日本的三菱公司、法國的TMD公司等已具備很高的水平[3，4]，但是價格昂貴。與國外相比，由于起步晚和國外的技術封鎖，國內雙向拉伸聚丙烯薄膜生產線的厚度控制精度還很低，產品質量不高，高質量薄膜生產線主要進口國外的成套薄膜生產設備。這不僅使國內成套薄膜生產設備的技術檔次難以提高，而且對相關產品的核心競爭力和經濟效益也產生了嚴重的影響。因此，研制國產的雙向拉伸薄膜厚度控制系統，已成為一項非常緊迫的戰略性任務。MCGS軟件是一套可運行于Windows 98/NT/2000等多種操作系統，用于快速構造和生成監控系統的國產工控組態軟件[5，6]。為了提高國產雙向拉伸薄膜生產線的控制精度和自動化水平，本文參照桂林電器科學研究所BOPP2500型薄膜生產線，采用MCGS軟件，結合PID控制算法，設計和仿真了一個雙向拉伸薄膜厚度測控系統。

1 雙向拉伸薄膜生產線的結構與厚度控制方法

1.1 薄膜生產線的結構

完整的雙向拉伸塑料薄膜生產線如圖1所示，可分為擠出成型(EXT/CR)、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，經加熱熔化后由擠出機將液態原料送到模頭，通過模頭唇口處熱膨脹螺栓擠出，經冷卻轉鼓冷卻成為固體狀厚片，該厚片經同步傳動系統傳送，首先通過縱向拉伸，使厚片變薄，然后經橫拉機進行橫向拉伸，使薄膜進一步變薄變寬，最后通過定型、收卷得到成品膜[7，8]。

其厚度控制部分由掃描儀、PLC和控制計算機組成。生產線采用第一厚度掃描儀檢測厚片的橫向厚度，第二掃描儀檢測成品膜的縱向厚度，并分別送至各自的PLC進行數值變換和補償計算，再經主計算機中的控制系統進行計算后，輸出控制信號，用以調整模頭螺栓的溫度，進行橫向厚度的控制;調整冷卻轉鼓的速度，進行縱向厚度的控制[9]。

圖1 雙向拉伸薄膜生產線

1.2 厚度控制方法

(1) 薄膜橫向厚度控制系統是一個多輸入、多輸出的復雜系統。將每一個模頭螺栓看成一個獨立的控制回路，仍然用經典的PID調節器對其進行控制。薄膜橫向厚度控制方框圖如圖2所示，第一測厚儀測得的拉伸薄膜橫向厚度經濾波后，與設定值比較，得到一個誤差值，再通過PID調節器，改變模頭螺栓加熱占空度，從而改變擠出口孔大小，達到控制薄膜橫向厚度的目的。

圖2 薄膜橫向厚度控制方框圖

(2) 薄膜縱向厚度控制方框圖如圖3所示。第二測厚儀測得的薄膜縱向厚度平均值經濾波后，與設定值比較，得到誤差信號，再通過PID調節器，改變冷卻轉鼓的線速度，從而達到控制薄膜縱向厚度的目的[10]。

圖3 薄膜縱向平均厚度控制方框圖

1.3 PID控制算法

采用PID控制方法調節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，它根據厚度設定值rin(t)與實際輸出值yout(t)構成的控制偏差:

error(t)=rin(t)-yout(t)(1)

PID控制規律為:

u(t)=KPerror(t)+1TI∫t0error(t)dt+

TDddt[error(t)](2)

G(s)=U(s)/E(s)=KP(1+1/TIs+TDs)(3)

式中:KP為比例系數;TI為積分時間常數;TD為微分時間常數。只要在控制系統中根據被控對象設置合適的PID參數，就可以達到有效控制的目的。

2 MCGS的組態設計和控制界面構成

2.1 組態軟件的設計

根據雙向拉伸薄膜厚度測控系統的構成及控制性能要求，利用MCGS組態軟件設計出雙向拉伸薄膜厚度測控系統，可安裝在測厚儀主計算機中，實現對生產線的實時控制。MCGS軟件為用戶提供了從數據采集到數據處理、流程控制、動畫顯示、報警策略以及報表輸出等解決實際工程的完整方案和操作工具。采用MCGS組態軟件所建立的雙向拉伸薄膜厚度測控系統結構如圖4所示。

圖4 基于MCGS的測控系統組成結構圖

(1) 主控窗口的組態

在MCGS的“主控窗口”中，根據設計要求，定義和設置了“系統管理”、“主界面”、“橫向厚度手動調節”、“縱向厚度手動調節”、“系統配置”等菜單項。

(2) 設備窗口的組態

連接和驅動外部設備的工作環境，可在其中添加PLC等外部硬件設備和模擬設備。在通道連接窗口中，將A/D，D/A通道和實時數據庫中的數據對象對應連接起來[11，12]。

(3) 用戶界面的組態

用戶窗口包括主界面、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”中利用繪圖工具進行設計組態。MCGS可視化的圖形功能可以方便地建立所設計的各種畫面，然后進行動畫連接，即建立畫面圖形對象與實時數據庫數據變量之間的關系，當變量的值改變時，其對應的圖形位置或狀態也隨之改變。

(4) 實時數據庫的組態

實時數據庫是工程各個部分的數據交換與處理中心，它將工程的各個部分連接成有機的整體。在本窗口內定義不同類型和名稱的變量，作為數據采集、處理、輸出控制、動畫連接及設備驅動的對象。數據變量是構成實時數據庫的基本單元，建立實時數據庫的過程即是定義數據變量的過程。

(5) 運行策略的組態

為實現橫向厚度和縱向厚度的PID閉環控制以及模擬橫向厚度和縱向厚度受控的實時變化，在運行策略中添加算法策略。選擇“循環策略”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”策略四個策略組，分別按照圖2和圖3中的閉環控制模型以及式(3)編寫。當系統開始運行時，設備輸入厚度值，策略行條件得到滿足，則執行相應的腳本程序。

2.2 控制界面的構成

雙向拉伸薄膜厚度測控系統的MCGS界面如圖5所示，包括主界面、橫向厚度手動調節界面、縱向厚度手動調節界面和系統配置界面。

圖5 雙向拉伸薄膜厚度測控系統的MCGS界面

2.2.1 主界面

主界面如圖5(a)所示，可顯示薄膜厚度控制系統的厚度控制情況。上方部分為橫向厚度控制部分，表格顯示了橫向各點位的加熱占空度和厚度以及縱向平均厚度的數值;柱形圖顯示各螺栓對應點位的橫向厚度的變化情況。中間部分是縱向厚度控制部分，動態曲線顯示了縱向平均厚度的曲線。在主界面底部有系統啟動、停止、系統配置、實時數據庫。在橫向和縱向控制部分的右邊都有自動調節和手動調節的選項。當按下“自動調節”按鈕時，綠色指示燈亮，表示當前處于PLC自動控制狀態，自動狀態即PLC進行全自動控制，不需要人工干預。如果運行過程中對自控效果不滿意，需要切換到手動時，可點擊“手動調節”進入手動調節界面，此時紅色指示燈亮。

2.2.2 橫向厚度手動調節界面

在橫向厚度控制部分選擇需要調節的螺栓號，點擊“手動調節”按鈕，進入橫向厚度手動調節，如圖5(b)所示。該界面顯示了橫向厚度的設定值、測量值、輸出值、螺栓加熱占空度和薄膜厚度的波形圖等實時數據，用戶可根據實時數據利用拉條隨時調整厚片設定厚度值和PID參數值。通過PID參數的設置，調整模頭加熱占空度，作為調節量來控制厚片厚度，從而實現了對橫向厚度的手動調節。

2.2.3 縱向厚度手動調節界面

在縱向厚度控制部分點擊“手動調節”，進入縱向厚度手動調節，如圖5(c)所示。此界面顯示了薄膜厚度、冷卻轉鼓線速度等實時數據。縱向厚度系統的調節量是冷卻轉鼓的轉速。通過在此界面中調整PID參數來調節冷卻轉鼓的轉速，達到對薄膜縱向厚度的手動調節。

2.2.4 系統配置界面

系統配置界面如圖5(d)所示。系統配置包括螺栓數量的選擇，橫向厚度上下限范圍的設置，縱向厚度上下限范圍的設置，冷卻轉鼓轉速上下限范圍設置等。用戶可根據自己的需要對這些數據進行設置，如果超過設定范圍，系統會自動報警。

2.3 仿真研究

參照BOPP2500型雙向拉伸薄膜生產線的厚度參數，橫向厚度設定值在420~440 μm，縱向厚度值設定在490~530 μm，加熱螺栓數設為10個，采用模擬設備模擬輸入測厚儀測出的薄膜厚度值，并對其進行仿真控制。縱向和橫向厚度波形如圖6和圖7所示，虛線為偏差值，中間粗線條為設定值，中間細線條為輸出值。模擬設備輸入振幅±7.5 μm的正弦波厚片厚度偏差和振幅±15 μm的正弦波縱向厚度偏差，經PID閉環控制后偏差小于等于0.2 μm，厚度控制精度在±0.5%以內。實驗證明該系統控制效果良好。

圖6 橫向厚度曲線

圖7 縱向厚度曲線

3 結 語

采用MCGS組態軟件設計的雙向拉伸塑料薄膜控制系統，相比用VC開發簡單易實現。經典PID控制器實現閉環調節，動態性能好，穩定可靠，界面簡單直觀、操作方便、所有參數圖示化顯示，可以動態實時監控生產線運行情況，控制參數可以在線優化，控制效果良好。在實際應用中，可在系統的“設備窗口”中添加PLC和輸入輸出接口及設備，以實現對生產線的控制。因此該系統對于國產雙向拉伸薄膜生產線控制系統的升級改造有較好的參考價值。近幾年來隨著模糊控制和神經網絡在控制系統中的應用越來越廣泛，如能將這些先進的控制方法運用到控制系統中，將進一步提高我國BOPP生產技術水平。

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