立式鋁箔分切機(jī)主控制系統(tǒng)分析

宋曉亮，張 偉，許 卓

（北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

鋁箔分切機(jī)是鋁箔加工中的精整設(shè)備，在“精整”裝備的全球化發(fā)展中，可喻為高端高精的現(xiàn)代化裝備。鋁板經(jīng)過冷軋機(jī)、鋁箔粗軋機(jī)、鋁箔精軋機(jī)的軋制，形成雙層0.03～0.006mm的鋁箔。通過鋁箔分切機(jī)把雙層的鋁箔分開，同時按照不同的商業(yè)要求把1000～1850mm寬的鋁箔分切成不同寬度的鋁箔若干條，并按恒張力方式卷成鋁卷。由于鋁箔分切機(jī)是鋁箔生產(chǎn)重要的后部工序，對鋁箔的質(zhì)量和成品率有著重要的影響，所以鋁箔分切機(jī)是現(xiàn)代鋁加工企業(yè)必須和關(guān)鍵技術(shù)裝備。

1 設(shè)備組成

立式鋁箔分切機(jī)由開卷機(jī)、導(dǎo)輥、上下卷取機(jī)、拔軸系統(tǒng)、超聲波焊接機(jī)、氣液系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。

圖1是立式鋁箔分切機(jī)設(shè)備的側(cè)面簡視圖，圖中開卷機(jī)為對錐式，直流電機(jī)驅(qū)動，開卷機(jī)在機(jī)列中完成帶材的開卷和對中，帶材的后張力由開卷機(jī)產(chǎn)生。導(dǎo)輥是一組輥系，由直流電機(jī)通過齒形皮帶同步驅(qū)動，在整個系統(tǒng)運行過程中起到平衡前后張力的作用，并控制整個機(jī)列的運行速度，完成鋁箔導(dǎo)向、分卷和剪切。

圖1 立式鋁箔分切機(jī)側(cè)面簡易圖

卷取機(jī)分上卷取和下卷取，分別完成雙合鋁箔的收卷，為了保證成品卷的質(zhì)量，其張力由卷取機(jī)直接產(chǎn)生；超聲波焊接機(jī)是利用超聲波的振動將斷帶后鋁箔接上，以提高成品率；拔軸系統(tǒng)主要是完成卸卷后的拔軸工作；氣動系統(tǒng)主要應(yīng)用在夾送輥、上下壓平輥和上下支撐輥上，這些輥調(diào)整的好與壞直接關(guān)系到成品的質(zhì)量；液壓系統(tǒng)主要是完成分切機(jī)的其他輔助動作，如開卷卷取的加緊打開，上料小車的側(cè)板升降等。

電氣控制系統(tǒng)由交流控制中心，直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，主控PLC系統(tǒng)和操作臺組成。分切機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 分切機(jī)控制系統(tǒng)框圖

交流控制中心采用組合式開關(guān)柜，完成交流進(jìn)線，電源分配和交流電動機(jī)控制，直流驅(qū)動系統(tǒng)用于開卷機(jī)，導(dǎo)輥和卷取機(jī)的直流電動機(jī)驅(qū)動控制，采用德國西門子公司全數(shù)字可控硅直流裝置6RA70系列。主控系統(tǒng)采用德國西門子公司的PLC-300系列和安裝在控制柜及操作臺上的ET200M分站單元，通過PROFIBUS-DP通訊電纜和主機(jī)架相連，極大地簡化了布線，這樣用一根通訊電纜鏈接即可實現(xiàn)主機(jī)架和遠(yuǎn)程I/O機(jī)架所在控制柜、操作臺的信息交換，解決了電纜老化問題,節(jié)省了工程費用。

2 控制系統(tǒng)分析

2.1 概述

立式分切機(jī)剪切的材料極薄，最薄的可以達(dá)到單張厚度為0.006mm，而且運行速度很快，最高速度可以達(dá)到800m/m in，因此對運行的張力和速度控制精度提出了很高的要求，恒速度控制精度為0.5%，恒張力控制精度為2%，并可根據(jù)卷取卷徑的變化自動進(jìn)行錐度張力控制。

2.2 張力控制

直流電機(jī)的總電磁轉(zhuǎn)矩為：

其中： CT為電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)；

Φ為電機(jī)磁通；

Ia為電機(jī)電樞電流。

本系統(tǒng)開卷和卷取設(shè)計采用了西門子的6RA70直流模塊，根據(jù)該直流模塊特點采用了速度欠飽和下的轉(zhuǎn)矩限幅控制。其功能框圖如圖3所示。

圖3 西門子直流模塊轉(zhuǎn)矩限幅框圖

由框圖中可知，直流模塊的直接輸出可以換算成一個轉(zhuǎn)矩值，當(dāng)電機(jī)的實際速度沒有達(dá)到給定速度時，直流模塊會增加輸出轉(zhuǎn)矩值以使電機(jī)增加轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)的實際速度超過給定速度時，直流模塊會減小輸出轉(zhuǎn)矩或出負(fù)轉(zhuǎn)矩以使電機(jī)減速或制動，當(dāng)電機(jī)實際速度和給定速度相等時，直流模塊的輸出轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡狀態(tài)。從框圖中可看出P605參數(shù)是用來直接設(shè)置直流模塊轉(zhuǎn)矩輸出限幅值的，只要電機(jī)沒有達(dá)到設(shè)定速度值，我們就可以根據(jù)此參數(shù)來控制直流模塊的輸出轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)轉(zhuǎn)矩計算張力為：

其中： Tem為電機(jī)轉(zhuǎn)矩；

R為鋁箔卷半徑。

開卷卷材的卷徑是應(yīng)用超聲波測距儀進(jìn)行直接測量得到，卷取卷材的卷徑用直線電位器直接測量。在分切機(jī)運行過程中開卷是放卷過程，只要保證料材平展，張力恒定即可，但對于卷取機(jī)，若采用恒張力卷取，隨著卷取卷材直徑的增大，會出現(xiàn)外緊內(nèi)松現(xiàn)象，造成勒卷劃傷等缺陷，因此在系統(tǒng)中需要設(shè)置錐度張力控制，即隨著卷取機(jī)卷材直徑的增大，使卷取張力呈線性下降，其數(shù)學(xué)模型如圖4所示。

圖4 錐度張力控制

其中：Ts為恒張力基準(zhǔn)；

A為錐度比率0～60%；

Dact為卷徑實際值；

D0為最小卷徑值；

Dmax為最大卷徑值。

開卷機(jī)和上下卷取機(jī)都采用了直接轉(zhuǎn)矩控制，為了減小開卷張力和卷取張力間的相互影響，設(shè)備有一個夾送輥裝置，有效的保證了兩個張力的相互獨立性。設(shè)備選用的都是具有3～4倍弱磁能力的直流電機(jī)，開卷電機(jī)剛開始運行時，卷徑比較大，轉(zhuǎn)速比較慢，在電機(jī)基速以下，電機(jī)工作在滿磁模式下且輸出較大扭矩，隨著設(shè)備的運行，開卷卷徑變小，轉(zhuǎn)速變快，在電機(jī)基速以上，電機(jī)工作在弱磁模式下且輸出較小扭矩；卷取電機(jī)正好相反，在開始運行時工作在弱磁模式下，在運行到臨近結(jié)束時工作在滿磁模式下。

張力基準(zhǔn)由操作臺設(shè)定，設(shè)定值經(jīng)過計算換算成轉(zhuǎn)矩值分別傳送給直流模塊，且開卷和上下卷取張力可分別單獨給定，方便操作手根據(jù)實際生產(chǎn)的具體情況進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。

2.3 速度控制

機(jī)列速度基準(zhǔn)也是由操作臺設(shè)定，設(shè)定值直接進(jìn)入導(dǎo)輥電機(jī)的速度設(shè)定，機(jī)列速度實際值由導(dǎo)輥電機(jī)的編碼器速度反饋得到，開卷電機(jī)的速度基準(zhǔn)是給定一個運行方向反方向的小速度值，這樣可以保證其轉(zhuǎn)矩限幅有效，且當(dāng)發(fā)生斷帶時，直流模塊的速度環(huán)替換轉(zhuǎn)矩限幅，使電機(jī)在反向較小速度下運行，不會產(chǎn)生飛車危險。卷取電機(jī)的速度基準(zhǔn)給定是機(jī)列速度基準(zhǔn)附加一個正向速度值，當(dāng)設(shè)備正常運行時，卷取電機(jī)運行速度無法達(dá)到設(shè)定速度基準(zhǔn)，轉(zhuǎn)矩限幅有效，即卷取張力可控，若發(fā)生斷帶，直流模塊速度環(huán)生效，轉(zhuǎn)矩限幅失效，保證卷取電機(jī)的運行安全。

2.4 導(dǎo)輥控制

導(dǎo)輥電機(jī)的主要作用是保證機(jī)列在設(shè)定速度下運行，使開卷張力和卷取張力達(dá)到平衡，且要防止箔材劃傷，直流模塊在速度環(huán)模式下運行，當(dāng)卷取總張力大于開卷張力時，導(dǎo)輥電機(jī)輸出負(fù)轉(zhuǎn)矩以使兩邊張力達(dá)到平衡，當(dāng)卷取總張力小于開卷張力時，導(dǎo)輥電機(jī)輸出正轉(zhuǎn)矩來使兩邊張力達(dá)到平衡，這樣系統(tǒng)就可以保證設(shè)備穩(wěn)定恒速運行了。

該立式分切機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)場得到應(yīng)用，實際生產(chǎn)情況驗證該控制方式可行，且運行穩(wěn)定，操作簡單。如圖5所示。

圖5 立式分切機(jī)現(xiàn)場實物

3 結(jié)束語

目前，這臺立式分切機(jī)已完成帶負(fù)荷調(diào)試，各項指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求。當(dāng)然，設(shè)備中也還存在著一些不盡人意的地方。比如卷取機(jī)的壓平輥和支撐輥都采用的氣動比例閥控制，其壓力的大小有限，對于有些型號的箔材需要調(diào)整的壓力無法達(dá)到，影響卷材的整體質(zhì)量；導(dǎo)輥電機(jī)是依靠導(dǎo)輥和箔材間的摩擦力才平衡前后張力的，若初始時兩邊張力相差太懸殊，會造成導(dǎo)輥打滑現(xiàn)場，影響成卷質(zhì)量，因此在開卷卷取的張力給定控制上要加以完善，以更好的方便新操作手的操作。這些問題的存在要求我們在以后的設(shè)計中不斷改進(jìn)，以滿足用戶對產(chǎn)品質(zhì)量的更高要求。

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