彩涂線涂機膜厚自動控制系統(tǒng)分析

摘 要：彩涂線涂機膜厚自動控制系統(tǒng)，是近年來新建彩涂線及老舊彩涂線改造經(jīng)常會接觸的系統(tǒng)，然而目前國內(nèi)成功投入使用的案例不多，甚至可以說基本沒有。現(xiàn)對彩涂機膜厚自動控制系統(tǒng)的原理、設(shè)計及功能實現(xiàn)進行分析，利用測厚儀、伺服電機、執(zhí)行機構(gòu)和PLC盤柜組合實現(xiàn)彩涂機膜厚的自動控制，利用測厚儀反饋油漆干膜厚度，通過PLC反饋給伺服電機，伺服電機驅(qū)動螺桿減速機帶動帶料輥、涂裝輥和計量輥動作，以實現(xiàn)輥縫調(diào)整，輥縫調(diào)整通過壓力傳感器顯示的壓力反饋給PLC，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制，達到油漆厚度自動調(diào)整的目的，同時節(jié)約了油漆及鋼帶等材料，并保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：彩涂機;伺服電機;測厚儀;膜厚自動控制系統(tǒng)

0? ? 引言

彩涂線（Color Coating line）也稱彩鋼板生產(chǎn)線，是用于生產(chǎn)彩鋼板的連續(xù)生產(chǎn)線。涂裝機作為彩涂線的核心設(shè)備，對產(chǎn)線的品質(zhì)及產(chǎn)量起著至關(guān)重要的作用。手動調(diào)整輥縫是行業(yè)內(nèi)的普遍做法，這種做法的缺點是每次更換油漆或者更換產(chǎn)品規(guī)格都需要人工進行調(diào)整，因調(diào)整后的油漆需要在烘箱內(nèi)加熱固化后到出口區(qū)才能進行厚度的測量，繼而判斷漆膜厚度是否符合要求，這就造成了原料的浪費。從彩涂機到烘箱出口冷卻后的距離因線速度不同、烘箱長度不同，造成的原料損失也不相同。而涂層厚度自動控制系統(tǒng)以其自動控制、精準(zhǔn)控制、快速調(diào)節(jié)的特點，在保證成品品質(zhì)和產(chǎn)量的同時也能極大地降低原材料的損耗。而且目前國內(nèi)市場巨大，如果將此成功案例進行推廣，能極大地節(jié)約人工成本，為彩鋼板企業(yè)的降本增效提供強有力的支持。

1? ? 涂機涂頭的結(jié)構(gòu)介紹

目前涂機涂頭主要有兩輥和三輥結(jié)構(gòu)。兩輥涂頭由涂裝輥和帶料輥組成，如圖1所示。三輥涂頭由另外增加的一根計量輥共同組成，如圖2所示。涂裝輥采用的是表面聚氨酯材料;帶料輥的表面處理方式有多種形式，如表面鍍烙輥、鍍鉻加網(wǎng)紋輥和目前比較先進的陶瓷輥等;計量輥的材質(zhì)與涂裝輥完全相同，而且兩者可以互換使用。

1.1? ? 油漆涂層測厚儀的原理及產(chǎn)線設(shè)置位置

油漆干膜厚度的檢測方法有離線檢測法、在線β射線檢測法。因為目前產(chǎn)線主要實現(xiàn)的是涂層厚度的在線自動控制，要求采用在線實時檢測的形式，于是采用β射線檢測法。這種方案需要對鋼帶的膜厚進行兩次檢測，包括涂漆前和涂漆后的檢測，然后利用后一次檢測出的厚度減去前一次的厚度，就可得到油漆涂層的干膜厚度。

經(jīng)過技術(shù)確認(rèn)，最終采用如圖3所示方案設(shè)置測厚儀在產(chǎn)線的位置：將一號測厚儀設(shè)置于底漆涂機前，第一次測量厚度為T0;二號測厚儀設(shè)置在底漆固化爐出口，此時可以測量出油漆的干膜厚度T1;三號測厚儀設(shè)置于面漆固化爐出口，此時測量的厚度為T2。具體可以測量中底漆涂層干膜厚度T3=T1-T0，面漆干膜厚度T4=T2-T1。

1.2? ? 油漆涂層厚度的控制方法

上面在介紹涂頭結(jié)構(gòu)的時候已經(jīng)提到過，三輥涂頭是由涂裝輥、帶料輥和計量輥組成的。在彩涂線的生產(chǎn)過程中，控制油漆干膜厚度的主要方法有：

（1）利用三根輥子的不同轉(zhuǎn)速比實現(xiàn)膜厚的調(diào)整。在一定的范圍內(nèi)，油漆的干膜厚度會隨著輥子轉(zhuǎn)速與產(chǎn)線工藝速度比值的增大而增大。

（2）通過控制油漆稀釋劑的比例進行膜厚控制。稀釋劑的添加比例可以控制油漆涂料的粘度，從而控制干膜厚度。

（3）利用三根輥子之間的縫隙進行膜厚控制。輥間間隙越小，干膜厚度越薄。然而受到涂裝輥和計量輥材質(zhì)及油漆的影響，很難直接計量輥子間隙，所以在涂頭結(jié)構(gòu)中，一般采用壓力控制的形式，通過調(diào)節(jié)壓力來實現(xiàn)膜厚的控制。

通過以上幾種方法的分析，如果想要實現(xiàn)膜厚的自動控制，那么采用控制輥間壓力的形式最為可行。

如圖4所示，L1和L4為測量出的支承輥、計量輥中心位置距離帶料輥和涂裝輥中心的延長線的長度;R2、R3、R5、R6分別為支承輥、涂裝輥、帶料輥和計量輥的半徑，可直接測量出結(jié)果并輸入HMI;F1、F2、F3分別為涂裝輥、帶料輥、計量輥的壓力值;F1LC、F2LC、F3LC是由壓力傳感器直接測量出的壓力值;θ1、θ2分別為帶料輥、涂裝輥與有效壓力的夾角。

由此可以計算出：

F1=F2+F1LC/cos θ2

F2=F2LC+F3/cos θ1

F3=F3LC

θ1=arcsin L4/（R5+R6）

θ2=arcsin L1/（R2+R3）

筆者將會采用對壓力（F1、F2和F3）進行調(diào)整的形式來實現(xiàn)膜厚的控制。

1.3? ? 涂機涂頭壓力調(diào)節(jié)機構(gòu)分析

通過壓力控制膜厚是彩涂生產(chǎn)線普遍采用的一種方式，通過手動轉(zhuǎn)動手輪，驅(qū)動輪驅(qū)動減速機轉(zhuǎn)動，進行相應(yīng)的壓力調(diào)整。于是對這部分進行改造。將手動手輪改造為帶有伺服馬達驅(qū)動的執(zhí)行器結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)壓力的自動控制，改造后的結(jié)構(gòu)如圖5所示。改造后的涂頭主要包括如下零部件：涂裝輥壓力調(diào)整伺服電機、執(zhí)行器及減速箱，帶料輥壓力調(diào)整伺服電機、執(zhí)行器及減速箱，計量輥壓力調(diào)整伺服電機、執(zhí)行器及減速箱，壓力傳感器，調(diào)節(jié)墊片，計量輥，帶料輥，快開軸承座及手柄，涂裝輥，保護罩，涂頭框架，直線導(dǎo)軌等。

將原來的手動轉(zhuǎn)動手輪部分設(shè)計為具備自動控制條件的伺服驅(qū)動結(jié)構(gòu)，同時保留手輪的調(diào)整功能，以保證在自動膜厚調(diào)節(jié)裝置出現(xiàn)故障時可以及時切換回手動操作的模式。增加的涂頭自動控制機構(gòu)與原來連接部分的細節(jié)圖如圖6所示。

2? ? 動作過程的實現(xiàn)

根據(jù)產(chǎn)品的要求在彩涂機操作室內(nèi)的HMI中設(shè)置好規(guī)定的壓力值，產(chǎn)線運行過程中，測厚儀將測量出的涂層厚度反饋給PLC，PLC根據(jù)實際測量的厚度和產(chǎn)品設(shè)定厚度值進行對比，發(fā)送相應(yīng)的增加或者減小信號給伺服電機，伺服電氣通過執(zhí)行器及減速箱驅(qū)動相應(yīng)的輥子進行動作，實現(xiàn)壓力的調(diào)整，調(diào)整的結(jié)果會通過壓力傳感器反饋回PLC，PLC將調(diào)整完成后測厚儀反饋回的實際膜厚進行對比，達到設(shè)定要求后一個調(diào)整流程結(jié)束。在切換產(chǎn)品或者膜厚時只需要重復(fù)上述過程即可。而企業(yè)在實際生產(chǎn)中已經(jīng)積累了很多生產(chǎn)經(jīng)驗，針對不同油漆種類、不用產(chǎn)品的膜厚，都有一套成熟的工藝參數(shù)，可以將特定規(guī)格的參數(shù)直接輸入并且記錄在HMI中，下次生產(chǎn)相同產(chǎn)品時直接調(diào)用參數(shù)即可。這不僅可以縮短時間，而且避免了輸入數(shù)據(jù)時疏忽導(dǎo)致的錯誤發(fā)生。

膜厚自動控制系統(tǒng)原理如圖7所示。

3? ? 測試結(jié)果

通過以上的結(jié)構(gòu)設(shè)計及測試，首先進行壓力傳感器的標(biāo)定，標(biāo)定完成后進行無油漆狀態(tài)測試。HMI中設(shè)定壓力值，PLC發(fā)出指令，伺服電機通過執(zhí)行器驅(qū)動輥子移動測試設(shè)定壓力值，測試成功。然后對測厚儀進行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完成后，進行涂漆后漆膜厚度測試。以面漆15 μm的設(shè)定值進行測試，最后測得厚度達到設(shè)定值。切換膜厚可以在30 s內(nèi)完成，并且提高了穩(wěn)定性。和人工調(diào)整相比，降低了對熟練操作工的技術(shù)要求，只要按照制訂的標(biāo)準(zhǔn)直接從HMI端調(diào)用數(shù)值即可完成。在膜厚控制作業(yè)中，減少了稀釋劑的使用成本，體現(xiàn)了精準(zhǔn)控制膜厚的能力;同時實現(xiàn)了節(jié)約涂料的目的，并且提高了產(chǎn)量，取得了較好的效果。測試數(shù)據(jù)部分節(jié)選如表1所示。

影響涂裝參數(shù)的主要因素有涂料體積固有成分的含量，生產(chǎn)線速，涂裝壓力，涂裝輥、帶料輥和計量輥的轉(zhuǎn)速以及帶料輥的材質(zhì)等。表1測試的基準(zhǔn)為：油漆采用聚氨酯油漆（PU），膜厚設(shè)定值為面漆15 μm基準(zhǔn)測試結(jié)果。

表2為面漆20 μm的測試結(jié)果，綜合上述測試結(jié)果，膜厚的控制達到產(chǎn)品質(zhì)量控制要求，實現(xiàn)了所設(shè)計的功能。

4? ? 結(jié)語

隨著自動化改造在各大鋼廠及冷軋廠的不斷推行，對原有老舊彩涂線的自動化改造需求將會越來越多，而對產(chǎn)線核心設(shè)備彩涂機的自動膜厚控制機構(gòu)的改造，將會改善涂機室操作人員的工作環(huán)境及勞動強度，同時也將極大地節(jié)約油漆和原料帶材在調(diào)整膜厚過程中的損耗，為鋼鐵企業(yè)降本增效提供技術(shù)保證。涂機膜厚自動控制系統(tǒng)已成功投入使用，通過對膜厚的最終檢測及測試，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，這也為所有有相關(guān)涂機改造需求的鋼廠提供了參考依據(jù)。

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收稿日期：2021-02-02

作者簡介：孫艷海（1985—），男，河北承德人，工程師，研究方向：彩涂線涂機膜厚自動控制。