塑料薄膜双向拉伸机组纵向拉伸机控制装置的研制毕业设计论文 精品.docx

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塑料薄膜双向拉伸机组纵向拉伸机控制装置的研制毕业设计论文精品

　毕业设计（论文）说明书

题目：

塑料薄膜双向拉伸机组

纵向拉伸机控制装置的研制

院（系）：

机电工程学院

专业：

电气工程及其自动化

学生姓名：

王佳宁

学号：

0600120327

指导教师单位：

电气工程教研室

姓名：

张彤

职称：

讲师

题目类型：

理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发

2010年6月3日

摘要

近30年以来，随着高分子树脂及塑料成型技术的飞跃发展，双向拉伸塑料薄膜已成为国民经济和人民生活不可或缺的一种材料。

BOPP薄膜从1962年以后，其年增长率保持在12%～15%。

1996年，全世界BOPP薄膜的产量超过300万吨。

目前，我国已经引进和自主研发了近百余条薄膜生产线，拥有近50万吨的生产能力，可以生产多种质量高，性能好的双向拉伸塑料薄膜。

塑料薄膜拉伸生产线主要有挤出，铸片，纵拉，横拉，收卷等部分组成。

纵拉部分主要完成薄膜的纵向拉伸。

在控制温度下，利用纵拉快传动电机和纵拉慢传动电机完成薄膜的纵向拉伸。

本课题就是塑料薄膜双向拉伸机组纵向拉伸机控制装置的研制。

在熟悉整个塑料薄膜生产线的工作方式下，掌握纵拉部分的工作原理。

塑料薄膜双向拉伸机组纵向拉伸机控制装置的纵拉部分的传动电机采用西门子变频器进行控制，变频器通过西门子PLC控制，温度采集采用热电阻，温度控制采用西门子闭环控制模块FM355。

根据工艺要求可以调节纵拉部分的升降辊，从而调节拉伸间隙，达到工艺要求。

采用西门子PLC，西门子变频器，完成纵拉部分的设计。

利用Protel99Se完成塑料薄膜双向拉伸机组纵向拉伸机控制装置的电气原理图设计设计，利用Step7编程软件编写纵向拉伸机电气控制的PLC程序，利用组态软件wincc编写上位机软件。

实现塑料薄膜双向拉伸机组纵向拉伸机控制装置的设计。

关键词：

交流；变频；调速；反馈；

Abstract

IntheprocessofBOPPfilmproduction,fordifferentsizeofthickness,itisneeddiverseprecisionrequirementoftheresintshumidity,themelttemperatureandtheextrusionpressure.Thetraditionalmethodofusingrelayforcontrolcanhardlymeettherequirementsofbothlowerthecostoftheimprovementoftheproductionlineandimprovethelevelofthesafetyandeconomyoftheproductionline.Soitisnecessarytomodifytheelectricationoftheproductionline.

ThisarticlefirstlyintroducedthepresentsituationoftheresearchofBOPPfilmproductionandtrendofitsdevelopment,emphasisonanalyzingthemethodsandproblemsfacedinthetemperaturecontroloftheproductionprocess.

Theaccuratecontrolofthetemperatureofthemoldanddiesoftheextruderisoneoftheimportanttechnologieswhichrelatedtothequalityandperformanceofparametertimevarying,largetimedelayandstrongcoupling.InthispaperitusedtheadaptivesettingstrategywhichcombinedwithconventionalPID.

Basedontherequirementsoftheproductionprocessofthefilm,theBOPPfilmproductioncontrolsystemisdesignedwhichbasedonthefieldbustechnology,andthesystemisoffunctionsofdetection,controlandmanagement.Aftertransformation,thesystemisalevel2processcontrolsystem.ItusedS7-300PLCproducedbySiemenscompaniesforthebasicautomaticcontrolwhichrealizesthecontroloftherequipmentrunningliketheheater,thedrawmachine,thetractor.Aswellasitusedindustrialcomputerproducedbyadvantech.forthemonitoringstationwhichisusedtocompletethefunctionsofmonitoring,alarmingandtabulation.Alsotheoperationofthesystemisverysimple,thepictureinnervationisvisual,controleffectiswell,thereliabilityandthestabilityhavegreatlyimproved.

Itisprovedbylongtimerunningthattheequipmentrunningwell,themainrenancecostdecreased,theproductqualityimprovedandenterpriseeconomicbenefitincreased.

KeyWords:

interchange,PLC,frequency,Feedback

1.课题背景

本章主要讲述BOPP薄膜生产线的国内外现状、本课题的主要内容和课题的来源

双向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜具有质轻、透明、无毒、防潮、透气性低、机械强度高等优点，广泛用于食品、医药、日用轻工、香烟等产品的包装，并大量用作复合膜的基材。

自1957年聚丙烯（PP）树脂工业化生产后，世界各公司竞相开发BOPP薄膜，1958年意大利Montecatini公司首创BOPP薄膜生产技术，1959年和1962年欧美及日本相继开始生产，目前全世界BOPP薄膜年生产能力已达282万吨，年产量超过155万吨，而且产量每年还在以15％左右的速率递增。

近30年以来，随着高分子树脂及塑料成型技术的飞跃发展，双向拉伸塑料薄膜已成为国民经济和人民生活不可或缺的一种材料。

目前，我国已经引进和自主研发了近百余条薄膜生产线，拥有近50万吨的生产能力，可以生产多种质量高，性能好的双向拉伸塑料薄膜。

BOPP薄膜从1962年以后，其年增长率保持在12%~15%。

1996年，全世界BOPP薄膜的产量超过300万吨。

其中已中国、日本的远东地区增长最快。

表1中国、日本的远东地区薄膜产量比较

地区

产量/万吨

所占比例%

地区

产量/万吨

所占比例%

远东

80.2

40.2

非洲

2

1

欧洲

61.75

31

中近东

1.1

0.55

美洲

53.43

27.3

目前，BOPP薄膜的厚度最薄为2um,最厚为60um。

最大幅宽超过10m，最高生产速率已高达350m/min。

最常用的电容器绝缘材料的厚度有以下几种：

2、4、5、6、7、8、9、10、12、15um。

包装用的BOPP薄膜的厚度为16~60um。

从国产的BOPP薄膜生产量上来看，目前国产的薄膜不但可以满足国内的需要，而且还可以部分出口。

从质量上来看，国产薄膜的质量已经达到国外同类产品的水平。

从国产的BOPP薄膜品种来看，主要用于包装、X光片、电气绝缘、电容器等领域。

除了磁盘芯片、高级磁带带基以及少数特殊薄膜任需要进口外，绝大多数的产品都可以生产。

我国的BOPP薄膜生产线是在1972~1973年间，由桂林电器科学研究所、嘉兴绝缘材料厂、晨光化工研究所开始试制的。

90年代以后，国内BOPP薄膜发展更快，到1997年底，我国共引进63条BOPP生产线，总生产能力达到32万吨。

随着人民经济的不断发展，国民生活程度日益进步，国内对BOPP薄膜的需求量也将不断增加。

2000年，我国BOPP薄膜的需求量为49.1～51.7万吨，其中印刷复合用光膜需求量为29～30万吨，胶粘带和PVDC涂布用基膜5～5.5万吨，珠光膜4.5～5万吨，烟膜7～7.5万吨，电工膜1.1～1.2万吨，镀铝膜1.5万吨，其它专用膜1万吨。

2005年国内对BOPP薄膜的需求量进一步进步到64.9～68.7万吨，其中印刷复合用光膜38～40万吨，胶粘带和PVDC涂布用基膜7万吨，珠光膜6.5～7万吨，烟膜8～8.5万吨，电工膜1.4～1.5万吨，镀铝膜2～2.5万吨，其它专用膜2～2.2万吨。

随着我国国民经济的高速发展，社会需求的增长刺激了BOPP薄膜的迅速发展，国内许多企业相继从国外引进BOPP薄膜生产线，以满足市场需求。

1998年底，全国共有BOPP薄膜生产线80条，年生产能力超过45万吨，发展速度相当快，其中1995年～1996年间就新增生产能力16万吨，使当时我国BOPP薄膜的生产能力猛增1倍。

BOPP薄膜工业的迅速发展，对包装、电子电器、石油化工等行业的发展起到了积极的促进作用。

目前，塑料薄膜已广泛用于工业、农业、国防及日常生活中，它已成为各个领域中不可缺少的一种材料。

当然，由于塑料的原材料不同，产品的用途也不相同，产品的质量要求不同，其生产的方法也各不相同。

归纳一下主要有以下几种方法：

目前，使用最多的是用管膜法生产农用薄膜、地膜及通用的包装材料；用平面双向拉伸法生产质量高的性能好的包装、磁带、电工、胶片等薄膜；用挤出铸膜法或单向拉伸法生产人造革、农膜、地膜、包装材料等。

本课题的题目是桂林电器科学研究所提出的。

本课题的生产线采用平面双向拉伸法。

本课题的内容就是在了解薄膜生产线的整个工艺流程后，对薄膜生产线纵拉部分电气系统设计，主要包括电气部分原理图的绘制，PLC硬件组态，PLC程序的编写，以及上位机WINCC监控软件的编写。

在设计中采用西门子PLC和西门子变频器实现控制，电机调速主要采用有速度传感器的矢量控制。

结合薄膜生产工艺的特点，本课题温度控制方案采用断续PID调温原理，即在一个采样周期中，热电阻输出的温度信号直接送入到闭环控制模块SM355，在SM355中将读取的温度值进行PID运算，将其转变为温度的数字值并顺序存入数据块中。

PID程序的循环运行是通过OB35的定时中断来实现的。

2.双向塑料薄膜双向拉伸机组工作方式简介

本章主要讲述POPP薄膜生产线的工艺流程，介绍薄膜生产线的生产过程，简述电动机的变频调速控制方式，以及对PROFIBUS工业总线的概述。

2.1双向拉伸薄膜生产线的工艺流程

图1双向拉伸薄膜生产线的工艺流程

双向拉伸聚丙烯薄膜生产线主要由挤出机、铸片机控制、纵拉机控制、横拉机控制、牵引机控制、收卷机控制组成。

2.2平面双向拉伸聚丙烯薄膜的生产设备

大多数的双向拉伸聚丙烯薄膜是采用通用的挤出、逐次双向拉伸法制成的。

即原料经过干燥-挤出-铸片-纵向拉伸、热处理-收卷等生产过程。

2.2.1干燥

聚丙烯树脂水降解性不如聚酰胺、聚酯类敏感，干燥设备比较简单。

一般使用一台立式或卧式气流干燥器。

2.2.2挤出机

在BOPP生产线中，粉碎的回收料是可以掺入新料中使用的。

然而，粉碎回收料的密度与新料有很大的区别，完全靠自重加料是不行的。

此时，挤出机的下料口就需要使用螺旋强制加料器。

为了提高挤出机的下料能力，挤出机的加料段使用开槽机筒。

生产BOPP薄膜的挤出机一般都使用单螺杆挤出机。

为了能够一机多用，可以生产多种薄膜，大多数的BOPP薄膜生产厂都使用三台挤出机。

BOPP薄膜挤出机在满足挤出量的同时，还必须满足挤出的熔体挤出量均匀，温度湿度，塑化均匀，具有低温混炼的特点和排除气泡的能力。

为了保证挤出质量又有很大的挤出量，目前主要从增大螺杆直径入手。

生产BOPP薄膜的挤出机螺杆结构，已经由单一的分离型螺杆或单一的屏障螺杆、销钉螺杆向这些形式组合螺杆发展。

挤出机的形式根据生产能力进行选择。

当挤出量在小于1000kg/h时，采用挤出机-计量泵的形式较好；当挤出量大于1000kg/h时，使用两台挤出机串联的形式较好。

2.2.3过滤器

在BOPP生产线上，粗过滤一般是使用60～80um的不锈钢网，精过滤器已柱式过滤器为主，每个滤芯都有一套组合不锈钢网。

2.2.4挤出机机头

BOPP薄膜生产线所使用的机头大多是T型渐缩支管式衣架机头。

对于共挤机头，一般使用熔融物料在机头内汇合的形式。

2.2.5冷却装置

BOPP薄膜生产线常用的冷却装置有两种结构。

一种是组合式多个冷却转鼓；一种是一个大直径的冷却转鼓和冷却水槽的组合装置。

2.2.6纵向拉伸机

在生产共挤出热封型薄膜时，由于面层聚丙烯共聚物的熔点较低，这种片材预热后，表层材料容易粘附在预热辊筒的辊面，要喷涂聚四氟乙烯，防止共聚物粘辊。

BOPP薄膜一般选用小间隙单点拉伸法，在高速生产条件下则选用小间隙两点拉伸法，生产时不需要其他的辅助加热装置。

在纵向拉伸机的预热、拉伸、定型辊上都装有压辊，在它的进出口都要装张力调节辊，控制两端片材的张紧程度。

2.2.7横向拉伸机

BOPP薄膜拉幅机没有预热段，拉伸段、定型段、冷却段。

由于BOPP薄膜横向拉伸温度与定型温度相差不大。

因此，BOPP横向拉伸机就不设缓冲段。

各段的加热温度均不高于190摄氏度。

2.2.8废料回收

BOPP薄膜在线废边经过粉碎，直接送到挤出机的加料斗，然后与新料混合，加入主挤出机。

其余废料粉碎后送往回收挤出造粒机或团粒机造成粒料。

2.3双相拉伸塑料薄膜生产线拉伸方法

双相拉伸塑料薄膜简称BOPF。

这种薄膜可以采用管膜拉伸法生产，也可以使用平面双向拉伸法生产。

管膜法是在吹塑泡管的同时，将薄膜进行纵横双向拉伸；平面拉伸法则是将高分子聚合物的熔体或溶液首先通过狭长机头制成片材或厚膜，然后在专用的拉伸机内，在一定的温度下和设定的速度下，同时或分步在垂直的两个方向上进行拉伸，并经过适当的冷却和热处理或特殊的加工制成的薄膜。

用熔融铸片的方法制得的片材，无论是物理性能还是机械性能都不能充分发挥材料应有的性能，往往都要进行拉伸取向处理。

材料片材的拉伸取向，分为单向拉伸与双向拉伸两大类。

在实际中多采用双向拉伸。

平面双向拉伸的方法种类又有很多，主要是逐次拉伸法也叫二次拉伸法和同时双向拉伸法也叫一次拉伸法。

逐次拉伸法又包括纵向拉伸和横向拉伸。

逐次拉伸法的纵向拉伸（简称MDO）。

纵向拉伸是将挤出的厚片，经过多个精度金属辊筒进行加热，并在一定的速度梯度下，将片材纵向拉长，使聚合物分子进行纵向取向的过程。

纵向拉伸可以分为大间隙单点拉伸，两点拉伸和小间隙单点、两点、多点拉伸三种类型。

图2纵向拉伸类型

预热后的片材在两组不同速度、不同温度的滚筒之间，一次完成纵向拉伸的方法称为单点拉伸法；预热后的片材在三组不同速度下，在两个空间内，两次完成纵向拉伸的方法称为两点拉伸法；预热后的片材在速度逐渐递减的滚筒之间进行多次拉伸的方法称为多点拉伸法。

纵向拉伸机主要是由多个加热、冷却滚筒，滚筒的传动系统，穿片装置，张力，温度，速度等控制装置组成的。

滚筒内的加热介质可以采用循环油或水蒸气。

用水进行加热的优点在于：

软水容易得，成本低，安全，检修方便，清洁。

从传热的角度分析，由于水的密度大，热导率较高，可以减少循环水量。

其缺点是当纵向拉伸温度需要高于100摄氏度时，循环水必须使用加压水，水压高达0.7MPa，此时，加热系统就要改进，滚筒要采取密封损耗大。

用油进行加热与用水刚刚相反。

循环泵的压力不需要很高，循环系统得到简化，但油的泄露会污染环境和设备，而且使用时也要注意安全，特别是要注意防火。

本生产线采用的是导热油加热方法。

2.4交流变频调速

2.4.1交流调速系统的发展

在现代工业和经济生活中，随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，交流变频调速技术作为高新技术、节能技术已经广泛应用于各个领域。

交流调速技术是强弱电混合，机电一体化的综合性技术，既要处理巨大电能的转换问题，同时又要处理信息的收集、变化和传输问题。

在巨大电能转换的功率部分要解决高电压、大电流的技术问题及新型电力电子器件的应用技术问题，而在信息的收集、变换和传输的控制部分，则主要解决控制的硬件、软件问题。

目前交流变频调速主要发展方向为：

（1）高水平的控制

矢量控制、磁场控制、转矩控制、模糊控制等高水平的控制技术以应用在交流变频调中。

（2）开发清洁电能的交流器

随着变频技术的不断发展和人们对环境问题的重视，不断减少变频器对环境的影响已经是大势所趋。

尽可能降低网侧和负载的谐波分量，减少对电网的公害和电机转矩的脉动，实现清洁电能变换。

（3）结构小型化

紧凑型的变频系统要求功率和控制原件具有高的集成度。

主电路中功率电路的模块化，控制电路采用大规模集成电路和数字技术控制技术，均促进了变频装置结构小型化。

（4）高集成化

提高集成电路技术机采用表面贴片技术，使装置的容量体积比得到进一步的提高。

2.4.2变频调速的现实意义

在电力拖动领域，广泛采用变频调速具有十分重要的意义：

（1）能够大大提高生产设备的工艺水平，加工精度和工作效率，从而提高产品的质量。

（2）能够大大减少小生产机械的体积和质量，减少金属耗用量。

（3）对风机和水泵类负载，采用变频调速技术，可以显著的节省能源。

变频调速技术在国民经济和日常生活中占有十分重要的地位，变频调速技术使频率变为可充分利用的资源。

近年来，变频调速技术获得了飞速的发展，取得了显著的社会效益和经济效益。

2.4.3变频器的结构和工作原理

图3变频器的基本构成

一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥构成。

它的主要作用是对工频的外部电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。

整流电路按其控制方式可以是直流电压源也可以是直流电流源。

直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，以保证逆变电路和控制电路能够的到较高质量的直流电源。

逆变电路是变频器最主要的部分之一，它的主要作用是在控制电路的控制下将平滑电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。

逆变器的输出就是变频器的输出，它被用来实现对异步电动机的调速控制。

变频器的控制电路包括主控制电路，信号检测电路，门极驱动电路，外部接口电路和保护电路等几个部分组成，也是变频器的核心部分之一。

控制电路的好坏决定了变频器的性能优略。

控制电路的主要作用是将检测电路得到的各种信号送至运算电路，使运算电路能够根据需要为变频器提供必要的门极驱动信号，并对变频器和异步电动机提供必要的保护。

控制电路还通过A/D，D/A等外部接口电路接受和发送多种形式的外部信号和给出系统内部工作状态，以便使变频器能够和外部设备配合进行各种高性能的控制。

变频器按主电路工作形式可以分为电压型和电流型。

在电压型变频器中整流电路或者斩波电路产生逆变电路所需要的直流电压，并通过直流中间电路的电容进行平滑后输出。

整流回路和直流中间回路起直流电压源的作用。

电压源输出的直流电压在逆变电路中被转换为所需要的频率交流电压。

在电流型变频器中，整流回路给出直流电流，并通过中间回路的电抗器将电流进行平滑后输出。

整流电路和直流中间回路起直流电流源的作用，而直流源输出的电流在逆变电路中被转换为具有所需要频率的交流电流，并被分配给各个输出相后作为交流电流共给电动机。

2.5变频调速的基本控制方式

2.5.1V/F控制方式

磁通是定子和转子磁动势合成产生的，在变频调速过程中，保持磁通恒定是非常重要的。

由电机学知，三相异步电机定子每项电动势的有效值为

Eg=4.44f1N1kn1Φm（2.5.1）

Eg---气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值（V）

f1---定子电源频率（Hz）

N1---定子每相绕组串联匝数

kn1---基波绕组系数

Φm---每极气隙磁通量（Wb）

Φm=Eg/4.44f1N1kn1（2.5.2）

在N1、kn1确定的条件下，保持Φm不变的方法是使反电动势Eg与定子频率f1的比值恒定不变。

当定子频率f1调节时，必须按恒定的电动势频率比的控制方式同时调节Eg，即

Eg/f1=常数

图4异步电动机等效电路

当电动势Eg较高时，定子绕组阻抗压降可以忽略不计，使定子相电压U1与电动势Eg相平衡，即

U1≈Eg（2.5.3）

既有

Eg/f1=U1/f1=常数（2.5.4）

在频率f1较高时，只要保持电压U1与频率f1同步变化，就可以近似代替反电动势Eg与频率f1同步变化，从而确保在调速过程中，主磁通Φm和电磁力矩不变。

变频的同时必须变压，这种控制方式称为恒压频比控制，又称为V/F控制方式。

2.5.2转差频率控制

由图4可得

（2.5.5）

定义转差频率fs为fs=sf

输出转矩可得

（2.5.6）

当转差频率fs较小时，如果E/f=常数，则电动机的转矩就基本上与转差fs成正比。

在进行E/f控制的基础之上，只要对电动机的转差频率fs进行控制，就可以达到控制电动机输出转矩的目的。

2.5.3PWM控制

PWM控制是脉冲宽度控制的简称。

是在逆变电路部分同时对输出电压的幅值和频率进行控制的控制方式。

在这种控制方式中，以较高频率对你便变了的半导体开关器件进行开闭，并通过改变输出脉冲的宽度来达到控制电压或电流的目的。

采用这种控制方式的变频器具有可以减少高次谐波带来的各种不良影响，转矩波动小，而且控制电路简单，成本低。

图示为采用矩形波

图5PWM电动机控制电路

的PWM控制方式。

2.5.4矢量控制

目前在变频器中得到实际应用的矢量控制主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度检测器的矢量控制方式两种。

基于转差频率控制的的矢量控制

矢量控制的基本原则是通过控制电动机定子电流的幅值和相位，来分别对电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电动机转矩电流特性的目的。

无速度传感器的矢量控制

无速度传感器的矢量控制方式是在磁场定位矢量控制方式的基础上发展而来的。

基本控制思想是分别对作为基本控制量的励磁电流和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流和转矩电