薄膜拉伸用的靜電吸附裝置控制系統研究

張宏展 楊洋 樊銳

摘要：介紹了靜電吸附裝置在薄膜拉伸領域的應用，靜電吸附系統的原理和重要性。重點介紹了靜電吸附控制系統的組成，控制系統主要功能的實現方法。通過改進，讓靜電吸附裝置在薄膜拉伸領域穩定的應用起來。

關鍵詞：靜電吸附裝置;薄膜拉伸;控制系統

2、靜電吸附裝置在薄膜拉伸領域的應用

2.1、靜電吸附裝置的優點

靜電吸附裝置在薄膜拉伸領域中有很大的作用，主要適用于生產BOPET和BOPA等材料的拉伸工藝。其主要作用就是在擠出系統和鑄片系統工作的時候，保證鑄片和冷卻輥很好的帖附不分離，防止在冷卻輥快速運轉的時候進入空氣，防止因為進入空氣影響傳熱、冷卻的效果。靜電吸附裝置的工作原理主要是利用靜電絲或者靜電帶的兩個電極和高電壓產生靜電磁場，根據不同磁極相互吸引的原理，讓薄膜能夠和冷卻輥緊密貼合在一起，有效排除薄膜中的空氣，讓其均勻冷卻。

2.2 吸附系統的工作原理和重要性

靜電吸附系統依據庫倫定律（兩個靜止的帶電粒子間的相互作用力）和洛倫茲定律（運動的電和在磁場中受的力），利用電磁力從而實現對物體有效地吸附。

靜電吸附控制主機通過將直流電壓經過增壓、濾波及倍壓處理，轉化為高壓靜電，靜電高壓經過靜電吸附單元（以單極或雙電極輸入模式）形成靜電磁場，從而對物體（導體或非導體機制）進行靜電吸附。

① 靜電絲兩側施加高壓電源，接近它時會形成電暈式的放電.

② 發生的（+） 電離子向 陰極的薄膜側移動（放電）使薄膜表面得到吸附.

③ 冷卻輪端要進行良好接地，負（-）電荷被與設備大地相連，兩者間以庫侖（Coulomb）效應為依據，將薄膜緊緊地貼附在冷卻輪上.

靜電吸附系統的重要性體現在：

靜電吸附系統使得薄膜和冷輥之間的吸附能力加強，薄膜表面外觀和產品品質得到改善，厚度均勻性好，橫向拉伸時薄膜破膜次數減少，同時冷卻輪回轉速度可到達130m/min，大大提高生產線產量。

對于靜電吸附裝置來說，為了不讓電極絲在薄膜生產的過程中吸附原材料，所以需要將靜電絲變成按一定速度運動的電極絲，并進行實時的更新。靜電吸附裝置主要包括了電極絲、高壓傳輸器、調節器和控制系統等元件。

3、靜電吸附裝置控制系統的簡介

靜電吸附控制系統主要由收絲系統、放絲系統、滑臺移動系統和觸摸屏等組成。該系統可以通過高壓直流電源使靜電絲帶電并產生離子，使得膜片均勻地貼附在鑄片輥表面。

網絡拓撲圖：

3.1本系統主要有以下幾個基本結構

操作面板：該部分供操作者控制各項功能并監控系統當前狀態。

滑臺平臺：可以進行前后方向移動，前后方向行程位1000mm。通過增量式編碼器實現絕對位置控制。

收絲系統：收絲電機緩慢運行，將靜電絲纏繞在收絲盤上。內置的張力傳感器實時反饋張力，實現按設定的張力值恒張力收絲。裝置通過計算收絲電機軸旋轉的圈電。

3.2 靜電吸附控制系統配置

控制系統組成：控制器CPU 1212C ， PS 24V DC 型號6ES7212-1AE40-0XB0;

模擬量輸出模塊Analog output 2 AO; 14-bit 型號6ES7954-8LE03-0AA0;

觸摸屏 KTP700 Basic 型號6AV2123-2GB03-0AX0;數，計算出已使用的靜電絲長度。

放絲系統：釋放靜電絲，配合收絲系統調節張力。內置的長度測量——護管伸縮裝置。通過齒輪齒條結構調節護管伸出長度，確保靜電絲不會與鑄片輥邊緣部分產生放

電源SITOP PSU100L， 1-phase， 24 V DC/5 A 型號6EP1333-1LB00。

放絲部分：采用HB型磁滯制動器。磁滯制動器涵蓋了很大范圍的扭矩、轉速、功率量測范圍，可以在任一轉速點，包括低轉速和零轉速時提供扭矩輸出。

滑臺橫移：電機選用西門子V90驅動器，單相200v（0.4kw），6SL3210-5FB10-4UF1。電機扭矩2.4NM ，電機額定轉速3000RPM，安裝尺寸80mm，電機型號：1FL6034-2AF21-1AA1。

收絲電機：選用V90驅動器，單相200v（0.4kw），電機扭矩0.16NM，電機額定轉速3000RPM。減速機選用PS40-32，安裝尺寸40mm，輸出扭矩達到8NM，采用速度控制方式，電機型號：1FL6024-2AF21-1AA1。

4靜電吸附系統主要功能的實現

4.1放絲系統的實現

裝置中靜電絲正常工作時要保持一定的張力，讓鑄片和靜電絲的位置保持固定不變。靜電絲正常情況下應該處于恒張力控制，不能因張力過大或者過小影響靜電吸附效果，因此靜電絲的松緊程度非常重要。在經典放絲系統中使用伺服電機進行放絲，采用力矩控制。由于實際工作中電機速度很低、在低頻下工作，避免不了電機波動的情況，會造成靜電絲的張力控制穩定難度很大。根據這種情況，采用了自動化的調節設備—磁滯自動張力阻尼器這個設備免去了張力波動的因素，只需要設定好張力的大小，就會通過電流的大小來進行自動調節。改阻尼裝置能夠保證靜電絲正常運行，還能夠保持工作中平穩的張力。

磁滯制動器是一種優越的扭矩、張力控制部件。它利用磁滯原理，通過控制輸入的勵磁電流，產生一定的扭矩。控制電流和輸出扭矩有較好的線性關系。它能提供光滑、無級可調、與轉速無關的轉矩控制。除了軸承以外，系統內無其他摩擦，具有穩定可靠、使用轉速高噪音小、使用壽命長，維護成本低等優點。

磁滯制動器由轉子和定子磁極兩大部分組成。轉子由特殊的磁滯材質制成，定子磁極中有一定的間隙，轉子在間隙中轉動。當線圈通電時，間隙中產生磁場，使轉子產生磁滯效應。當磁滯轉子在外力作用下克服磁滯力轉動時，產生額定的扭矩。扭矩僅與激磁電流大小有關，與轉速無關，實現非接觸的扭矩傳輸。

下圖所示的是磁滯制動器的典型結構圖。

扭矩和勵磁電流的關系幾乎成正比，所以通過調整電流就能很容易的調整扭矩。

4.2加熱控制系統實現

在制造雙向拉伸薄膜（比如BOPA，BOPET）的時候，在模唇位置往往容易出現低聚物的累積。為防止產生的低聚物對薄膜質量產生影響，為用模頭排風風機及時把周圍的空氣往上方排出。此時揮發的低聚物會對靜電絲造成污染，進而影響靜電吸附和冷輥的貼附效果。為解決這一問題，我們開發了一款帶加熱功能的靜電吸附裝置，通過耐20KV的隔離變壓器對交直流電源進行隔離。工作中靜電吸附產生的電壓采用0-15KV直流電，靜電絲加熱采用110V交流電。改裝置可以輸出高壓和靜電絲加熱同時進行，互不影響。靜電絲通過加熱，表面有了一定的溫度，可以保證吸附在靜電絲表面的低聚物能夠及時揮發掉，保證靜電絲始終處于潔凈狀態，同時增加靜電絲的使用壽命。

靜電絲加熱采用法國Celudc品牌的SO465620固態繼電器。采用PWM輸入信號控制改固態繼電器的相位角，輸入控制信號為4-20ma，輸出負載電壓0-110VAC可調。

4.3 恒張力控制系統實現

對于靜電絲來說，不僅要對靜電進行釋放，同時靜電絲還得不斷運動，實時使用新的靜電絲工作。由于長期對靜電絲進行纏繞，需要對靜電絲的排線和恒張力控制功能提出更高要求。否則很容易造成靜電絲放電不穩定，擊穿薄膜。為保證靜電絲在收絲輪上能夠排列整齊，實現靜電絲的張力穩定，我們采用西門子博圖軟件自帶的對具有比例作用的執行器進行集成調節的 PID 控制器。

PID_Compact是一種具有抗積分飽和功能并且能夠對比例作用和微分作用進行加權的 PIDT1 控制器。 PID 算法根據以下公式工作：

PID方框圖：

給系統設定一個目標張力，根據內置的張力傳感器反饋出張力實際值，通過PID計算實時調整磁滯制動器的勵磁電流，改勵磁電流疊加到磁滯制動器的初始電流上，共同實現按設定的張力值進行恒張力收絲。

4、結束語

對于薄膜拉伸工藝來說，靜電吸附裝置起到了首當其沖的作用。本文作者根據自身的工作經驗和雙向拉伸工藝要求設計了靜電吸附控制系統，同時又針對靜電吸附裝置主要控制功能的實現進行了主要介紹。作者希望通過這篇文章給相關的工程師們一些參考，在今后對拉伸生產線中的靜電吸附裝置改造能夠有所借鑒，保證靜電吸附系統能夠穩定運行。

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作者簡介：張宏展（1981-），男（漢族），河南南陽鄧州人，電氣工程師，從事雙向拉伸薄膜生產線電氣控制系統的研究。