摘 要:以桂林电器科学研究所bopp2500型薄膜生产线为原型,利用mcgs组态软件和pid控制方法设计和仿真了一个双向拉伸薄膜厚度测控系统。仿真结果表明,该测控系统可实时、精确地测量和控制双向拉伸薄膜的厚度,提高薄膜产品的质量,且控制参数调整方便,控制效果、可视性和可维护性好,具有较大的应用价值,对于有效提高国产薄膜成套生产设备的行业竞争力有实际意义。
　　关键词:双向拉伸薄膜;厚度测控系统;mcgs仿真;pid控制
　　中图分类号:tp273文献标识码:a
　　文章编号: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
　　
　　随着我国工业、农业、食品业和包装业等的快速发展,塑料薄膜的使用越来越广,对其要求也越来越高。wWw.11665.cOM双向拉伸聚丙烯(biaxially oriented polypropylene,bopp)薄膜是近年来兴起的一类非常重要的软包装材料,因抗拉伸强度高,耐冲击、透明性好,防水、防锈、环保,而广泛应用于食品、糖果、香烟、茶叶、果汁、牛奶、纺织品等的包装,赢得了“包装皇后”的美称[1,2]。双向拉伸薄膜技术,在国外发展迅速,并日趋完善,如德国的brueckner公司、日本的三菱公司、法国的tmd公司等已具备很高的水平[3,4],但是价格昂贵。与国外相比,由于起步晚和国外的技术封锁,国内双向拉伸聚丙烯薄膜生产线的厚度控制精度还很低,产品质量不高,高质量薄膜生产线主要进口国外的成套薄膜生产设备。这不仅使国内成套薄膜生产设备的技术档次难以提高,而且对相关产品的核心竞争力和经济效益也产生了严重的影响。因此,研制国产的双向拉伸薄膜厚度控制系统,已成为一项非常紧迫的战略性任务。mcgs软件是一套可运行于windows 98/nt/2000等多种操作系统,用于快速构造和生成监控系统的国产工控组态软件[5,6]。为了提高国产双向拉伸薄膜生产线的控制精度和自动化水平,本文参照桂林电器科学研究所bopp2500型薄膜生产线,采用mcgs软件,结合pid控制算法,设计和仿真了一个双向拉伸薄膜厚度测控系统。
　　
　　1 双向拉伸薄膜生产线的结构与厚度控制方法
　　
　　1.1 薄膜生产线的结构
　　完整的双向拉伸塑料薄膜生产线如图1所示,可分为挤出成型(ext/cr)、纵向拉伸(mdo)、横向拉伸(tdo)、牵引处理(prs)和卷取(wd)五大部分。其工作过程:薄膜原料,即塑料粒子由投料口投入,经加热熔化后由挤出机将液态原料送到模头,通过模头唇口处热膨胀螺栓挤出,经冷却转鼓冷却成为固体状厚片,该厚片经同步传动系统传送,首先通过纵向拉伸,使厚片变薄,然后经横拉机进行横向拉伸,使薄膜进一步变薄变宽,最后通过定型、收卷得到成品膜[7,8]。
　　其厚度控制部分由扫描仪、plc和控制计算机组成。生产线采用第一厚度扫描仪检测厚片的横向厚度,第二扫描仪检测成品膜的纵向厚度,并分别送至各自的plc进行数值变换和补偿计算,再经主计算机中的控制系统进行计算后,输出控制信号,用以调整模头螺栓的温度,进行横向厚度的控制;调整冷却转鼓的速度,进行纵向厚度的控制[9]。
　　图1 双向拉伸薄膜生产线
　　1.2 厚度控制方法
　　(1) 薄膜横向厚度控制系统是一个多输入、多输出的复杂系统。将每一个模头螺栓看成一个独立的控制回路,仍然用经典的pid调节器对其进行控制。薄膜横向厚度控制方框图如图2所示,第一测厚仪测得的拉伸薄膜横向厚度经滤波后,与设定值比较,得到一个误差值,再通过pid调节器,改变模头螺栓加热占空度,从而改变挤出口孔大小,达到控制薄膜横向厚度的目的。
　　图2 薄膜横向厚度控制方框图
　　(2) 薄膜纵向厚度控制方框图如图3所示。第二测厚仪测得的薄膜纵向厚度平均值经滤波后,与设定值比较,得到误差信号,再通过pid调节器,改变冷却转鼓的线速度,从而达到控制薄膜纵向厚度的目的[10]。
　　图3 薄膜纵向平均厚度控制方框图
　　1.3 pid控制算法
　　采用pid控制方法调节螺栓加热占空度和冷鼓线速度,从而控制薄膜横向厚度和纵向厚度。pid控制器是一种线性控制器,它根据厚度设定值rin(t)与实际输出值yout(t)构成的控制偏差:
　　error(t)=rin(t)-yout(t)(1)
　　pid控制规律为:
　　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为比例系数;ti为积分时间常数;td为微分时间常数。只要在控制系统中根据被控对象设置合适的pid参数,就可以达到有效控制的目的。

2 mcgs的组态设计和控制界面构成
　　
　　2.1 组态软件的设计
　　根据双向拉伸薄膜厚度测控系统的构成及控制性能要求,利用mcgs组态软件设计出双向拉伸薄膜厚度测控系统,可安装在测厚仪主计算机中,实现对生产线的实时控制。mcgs软件为用户提供了从数据采集到数据处理、流程控制、动画显示、报警策略以及报表输出等解决实际工程的完整方案和操作工具。采用mcgs组态软件所建立的双向拉伸薄膜厚度测控系统结构如图4所示。
　　图4 基于mcgs的测控系统组成结构图
　　(1) 主控窗口的组态
　　在mcgs的“主控窗口”中,根据设计要求,定义和设置了“系统管理”、“主界面”、“横向厚度手动调节”、“纵向厚度手动调节”、“系统配置”等菜单项。
　　(2) 设备窗口的组态
　　连接和驱动外部设备的工作环境,可在其中添加plc等外部硬件设备和模拟设备。在通道连接窗口中,将a/d,d/a通道和实时数据库中的数据对象对应连接起来[11,12]。
　　(3) 用户界面的组态
　　用户窗口包括主界面、横向厚度控制界面、纵向厚度控制界面和温度显示界面、系统配置界面。这些画面均是在mcgs的“用户窗口”中利用绘图工具进行设计组态。mcgs可视化的图形功能可以方便地建立所设计的各种画面,然后进行动画连接,即建立画面图形对象与实时数据库数据变量之间的关系,当变量的值改变时,其对应的图形位置或状态也随之改变。
　　(4) 实时数据库的组态
　　实时数据库是工程各个部分的数据交换与处理中心,它将工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量,作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。数据变量是构成实时数据库的基本单元,建立实时数据库的过程即是定义数据变量的过程。
　　(5) 运行策略的组态
　　为实现横向厚度和纵向厚度的pid闭环控制以及模拟横向厚度和纵向厚度受控的实时变化,在运行策略中添加算法策略。选择“循环策略”类型的策略,在策略工具箱中选择策略行条件属性,然后编写脚本程序。共有“横向pid控制”策略、“纵向pid控制”策略、“横向厚度”和“纵向厚度”策略四个策略组,分别按照图2和图3中的闭环控制模型以及式(3)编写。当系统开始运行时,设备输入厚度值,策略行条件得到满足,则执行相应的脚本程序。
　　2.2 控制界面的构成
　　双向拉伸薄膜厚度测控系统的mcgs界面如图5所示,包括主界面、横向厚度手动调节界面、纵向厚度手动调节界面和系统配置界面。
　　图5 双向拉伸薄膜厚度测控系统的mcgs界面
　　2.2.1 主界面
　　主界面如图5(a)所示,可显示薄膜厚度控制系统的厚度控制情况。上方部分为横向厚度控制部分,表格显示了横向各点位的加热占空度和厚度以及纵向平均厚度的数值;柱形图显示各螺栓对应点位的横向厚度的变化情况。中间部分是纵向厚度控制部分,动态曲线显示了纵向平均厚度的曲线。在主界面底部有系统启动、停止、系统配置、实时数据库。在横向和纵向控制部分的右边都有自动调节和手动调节的选项。当按下“自动调节”按钮时,绿色指示灯亮,表示当前处于plc自动控制状态,自动状态即plc进行全自动控制,不需要人工干预。如果运行过程中对自控效果不满意,需要切换到手动时,可点击“手动调节”进入手动调节界面,此时红色指示灯亮。
　　2.2.2 横向厚度手动调节界面
　　在横向厚度控制部分选择需要调节的螺栓号,点击“手动调节”按钮,进入横向厚度手动调节,如图5(b)所示。该界面显示了横向厚度的设定值、测量值、输出值、螺栓加热占空度和薄膜厚度的波形图等实时数据,用户可根据实时数据利用拉条随时调整厚片设定厚度值和pid参数值。通过pid参数的设置,调整模头加热占空度,作为调节量来控制厚片厚度,从而实现了对横向厚度的手动调节。
　　2.2.3 纵向厚度手动调节界面
　　在纵向厚度控制部分点击“手动调节”,进入纵向厚度手动调节,如图5(c)所示。此界面显示了薄膜厚度、冷却转鼓线速度等实时数据。纵向厚度系统的调节量是冷却转鼓的转速。通过在此界面中调整pid参数来调节冷却转鼓的转速,达到对薄膜纵向厚度的手动调节。
　　2.2.4 系统配置界面
　　系统配置界面如图5(d)所示。系统配置包括螺栓数量的选择,横向厚度上下限范围的设置,纵向厚度上下限范围的设置,冷却转鼓转速上下限范围设置等。用户可根据自己的需要对这些数据进行设置,如果超过设定范围,系统会自动报警。
　　2.3 仿真研究
　　参照bopp2500型双向拉伸薄膜生产线的厚度参数,横向厚度设定值在420~440 μm,纵向厚度值设定在490~530 μm,加热螺栓数设为10个,采用模拟设备模拟输入测厚仪测出的薄膜厚度值,并对其进行仿真控制。纵向和横向厚度波形如图6和图7所示,虚线为偏差值,中间粗线条为设定值,中间细线条为输出值。模拟设备输入振幅±7.5 μm的正弦波厚片厚度偏差和振幅±15 μm的正弦波纵向厚度偏差,经pid闭环控制后偏差小于等于0.2 μm,厚度控制精度在±0.5%以内。实验证明该系统控制效果良好。
　　图6 横向厚度曲线
　　图7 纵向厚度曲线
　　
　　3 结 语
　　
　　采用mcgs组态软件设计的双向拉伸塑料薄膜控制系统,相比用vc开发简单易实现。经典pid控制器实现闭环调节,动态性能好,稳定可靠,界面简单直观、操作方便、所有参数图示化显示,可以动态实时监控生产线运行情况,控制参数可以在线优化,控制效果良好。在实际应用中,可在系统的“设备窗口”中添加plc和输入输出接口及设备,以实现对生产线的控制。因此该系统对于国产双向拉伸薄膜生产线控制系统的升级改造有较好的参考价值。近几年来随着模糊控制和神经网络在控制系统中的应用越来越广泛,如能将这些先进的控制方法运用到控制系统中,将进一步提高我国bopp生产技术水平。 编辑整理
　　
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