注塑拉丝机组与卷绕电机线速度分配试验(图文教程)

 丝状塑料的挤出拉伸生产是在注塑拉丝机组上利用挤出模具连续生产的成型工艺。生产过程中要对多台设备进行协调控制，从而在获得最佳制品的同时取得最高的生产效率。特别是对挤出电机和卷绕电机线速度匹配的控制要求上，如各参数的精确、及时、可靠等方面的控制要求越来越高，对整条生产线的运行状态的检测和适时调整成为生产过程中的关键。笔者现将注塑拉丝机组中挤出与卷绕电机线速度匹配控制作一介绍。

1挤出电机与卷绕电机线速度匹配误差的原因分析
    当2个电机的线速度需要在较长的运转时间内精确匹配时，如果期望二者按照一定比例的固定转速来实现，几乎是不可能的。原因有以下几点:
    (1)电机转轴线速度的获得依赖于对电机转轴半径与角速度的乘积计算，而电机转轴半径的精确度是有极限的，计算得出的线速度参数与实际数值是有误差的;
    (2)无论如何设定两个电机的转速比，这个转速比的精确度总是有极限的;
    (3)电机转轴边沿所受切向拉力(转力矩)在较长的运转时间内不可能始终保持精确恒定，其转速总是会有微小波动的。
    (4)由于以上3种甚至更多原因造成的综合线绕长度误差，在较短时间内可以忽略不计，但经过较长时间后的不断累积，总会在某个时间后超出所能允许的误差极限。
    假设两个电机的线速度匹配精度能够达到0.2mm/min(这已经是很高的精度了)，那么lh后的误差就会达到12 mm，连续运行10 h，就会累积到120mm。由此可见，每隔一段时间，为了消除线绕长度的较大误差，必须对其中一个电机的转速进行修正。

2卷绕电机线绕长度误差的解决思路
    根据以上分析，笔者设想出如下解决思路:当2个电机的线速度要求在较长时间内精确匹配时，将其中一个电机定义为主电机，另一个定义为从电机。设定挤出电机为主电机(选择伺服电机控制)，卷绕电机为从电机(变频器控制)。主电机采取固定转速w1运行，从电机按照固定转速w2加随机修正值o(t)的方式进行跟随响应。也就是说，主电机转速固定，从电机采取固定转速+误差修正的动态跟随模式运行。
    从电机的固定转速。:按照以下要求来设定:
    (1)在不进行从电机转速修正的情况下，主、从电机的线速度能够在尽可能长的时间内达到较好的匹配效果。总之，w2是通过人工精心调整所能够实现的最佳值，把w2叫做人工最佳转速。
    (2)假设有一个理想化的从电机转速值w2，如果从电机能够按照该转速进行运转，那么不论经过多长时间，从电机的线绕长度都能够保持与主电机的线绕长度精确一致。把w2叫做理论最佳转速。

    (3)要求w2比w2’略微小一些。这样，将只对从电机进行转速正修正，不进行负修正。这样做的好处是使得为获得较理想的动态跟随效果而设计的软件、硬件变得简单一些，也就是减轻系统开发的难度和工作最，同时也能够降低系统的复杂性，提高运行可靠性。
    那么问题的关键是如何实现从电机转速的随机修正值o(t)。这需要设计具体的控制系统及建立自动控制的数学模型并编写测控程序。

3卷绕电机转速控制的物理构成与受控参数选择
    在拉丝机的挤出端到卷绕电机的转轴之间增加一个托辊，这个托辊不要转动。托辊托在塑料布正下方或斜下方，但必须与塑料布可靠接触。在托辊上面从左到右等间距地安装3个灵敏而精密的压力传感器。当塑料布有一定的张力时，在压力传感器的接触面上会产生压力Pr。这样，塑料的张力就转化成了压力。对应压力Pr，压力传感器产生电信号Ps. 3个压力传感器的电信号Ps 1,Ps2,Ps3送到3个相配套的压力变送器上，由变送器转换为0一5V或4一20 mA的标准模拟量信号Pvl,Pv2,Pv3(0一5V或4-20mA模拟信号与一定范围的压力X0一X1成线性对应关系)。模拟量信号Pvl,Pv2 ,Pv3接到一个转速微调控制模块上.
    转速微调控制模块将不断地采集Pv1,Pv2,Pv3数值，并将Pvl,Pv2,Pv3作平均值处理，每0.5 s(数据采集与控制周期定为0.5s)采集5批次共15个数据，每批次3个数据都作平均值处理，作为本周期的测量结果，然后进行控制量计算和输出。
    转速微调控制模块控制的目标参数是托辊所受的压力，因此，转速控制模块实际上相当于压力控制仪表。通过对压力的控制达到控制电机转速的目的，进而达到控制电机卷绕长度的目的。
    温度、压力、液位、流量等参数都是做过程参数，这几种参数的控制模式极为相似，其控制量计算所依赖的数学模型、算法程序等几乎完全一样，只是所采用的传感器及执行器件不相同而已。并且这几种参数的传感器技术、信号处理技术、控制的理论和技术手段都非常成熟。
    控制托辊上的压力，就是控制塑料布的张力，这正是所需要的效果。而控制压力的手段，就是控制卷绕电机的转速。转速与压力的对应关系很明确:转速加快，则压力加大;转速减小，则压力减小。这和控温很相似:加热功率增大，则温度上升;加热功率减小，则温度下降。

4卷绕电机转速控制的目标值设定与数学模型
    变频调速器有手动控制和自动控制2种工作模式。在手动控制模式下，可以人工设定其输出电压的频率，并且电压频率是固定的;在自动控制模式下，变频器接收0一5V(或1一5 V,0一10mA,4一20mA的任一种)控制信号，根据该信号的大小，自动调整输出电源的频率。当频率变化时，变频器的负载电机的转速也就改变。
    当变频器在手动模式工作时，只要设定合适的输出频率值，总能够使卷绕电机的转速在一定时间内较好地匹配挤出电机的速度。假设这个合适的固定频率为Fo，对应卷绕电机的固定转速W20.
    假设变频器在自动控制模式下，接收的控制信号为U=0一5v，输出频率范围是F1-f2，那么在自控控制模式，当输人给变频器的控制电压为U0 =5F0/(F2一F1)时，变频器的输出频率即为Fo，对应卷绕电机的固定转速w2。
    过程参数的控制需要一个设定值，也就是控制所要达到的目标值。另外，为实现控制策略，需要建立一个数学模型来计算所需要输出的控制量。
    (1)控制目标值的获得与设置
    首先不使用压力控制仪的控制信号，只让它进行压力测量和显示。给变频器提供固定电压U0作为控制信号，变频器输出固定频率F0的电压，从电机按照最合适的固定转速w2运转。在电机开启后的一段时间内，总能够使得塑料布松紧度适宜。在这个时候，观察压力控制仪上显示出的压力值Pv并作记录，选取最合适的压力值Pv0(对应最合适的塑料布松紧度)，然后将压力控制仪的控制目标值设定为Pv0.。然后启用压力控制仪的控制信号，对电机转速进行自动控制。
    (2)自动控制的数学模型
    输人给变频器的控制信号U(t)、变频器输出频率F(t)、卷绕电机转速。(O的对应关系为:
              U(t)=Uo+V(t)             (1)
              F(t)=f0+b(t)             (2)
              w(t)=w2+o(t)             (3)
式中:U0对应变频器的频率F0 , F0对应电机的固定转速w2;V(t)对应变频器的频率修正量b(t), b(t)对应电机的转速增量o(t).
    (3)数学模型各参数的说明
    控制所依赖的数学模型是非常简单的。在大部分时间里，电机是不需要提速的，就是说，卷绕电机以固定转速w2运转时，在较长的一段时间内能够保证线速度与挤出速度的较好匹配。
    控制模块不断测量3个压力变送器的输出信号Pv1,Pv2,Pv3，将一个周期测得的结果值PV，与理想数值Pv。进行差值计算。压力负偏差值记为。PV =Pvo - Pv。定义o为允许的压力负偏差极限。当Pv     当Pv=>o。时，控制模块输出的控制信号为V(t)，输人给变频器的控制信号U(t)=Uo+V(t)，变频器的输出频率F(t) = Fo十j3(t)，卷绕电机的转速变为w(t)=w2+u(t)。
    卷绕电机的转速增量Q(t)将消除压力负偏差，也就是使塑料布的张力恢复到正常值。
    为了使卷绕电机的转速平稳，限制其提速增量cT(t)<=w2x5%，对应地，限制V(t)<=x5%。

5实现卷绕电机转速控制的电子电路
    在上面所确立的控制数学模型的基础上，需要设计出一个能够将固定控制量Uo与随机修正量V(t)进行加法运算的电子线路。利用集成运算放大器的加法电路能够实现上述目的。

    左上角部分是固定电压Uo的发生电路。TL431是一个电压基准器件，它能产生精密稳定的电压。1脚接电压源,2脚接电源地，3脚产生精密基准电压Vref, Vref = 2.5 V。该电压基准不随电源电压波动而波动，是非常稳定而精密的。根据电阻分压原理可知:
                         
    Uo=Vref(1+r7/r8)=2.5(1+r7/r8)(4)
    必须精确调整R7，使得Uo值能够满足卷绕电机转速为恒定值w2的要求。UO不可能大于5 V,所以，必须有:R7     中间部分是加法运算放大器电路。RI,R2,R3,R4,RF必须满足下列约束关系:
          RI U R2 U R3=R4 U RF         (5)亦即:1    1    1    1    1R1十而+万=R4十RF(6)
    式中的R1,R2 ,R3,R4、 RF值是满足式(6)的。在式(6)成立的前提下，运放的输出电压为:
             
    U(t)=rf/r1u0+rf/r2w(t)=u0+v(t)  (7)
    由于控制模块产生的控制量信号V(v)幼是正的数值(和温控仪的控制输出量一样)，它能够消除实际压力与目标压力的负偏差，不能梢除正偏差。上面提到的要求卷绕电机的人工最佳转速w2比理论最佳值w2略微小一些，也就是宁可产生压力负偏差，不要产生压力正偏差，就是这个原因。

6控制系统的成本预测
    压力与温度等过程参数的控制技术及产品都相当成熟，不论是传感器还是控制仪表，价格都不会特别高。因此，控制系统的成本不会太高。不过，由于压力控制不如温度控制应用得广泛，所以成本肯定会比温控系统要高一些，但应该是可以承受的。另外，压力传感器的类型选择、灵敏度、精确度、测量范围等参数的选择，都对价格有较大影响。在实际选型时需综合考虑适用条件、技术参数及价格等因素。