高速节能智能化数字控制挤出复合机的开发.docx

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高速节能智能化数字控制挤出复合机的开发

高速节能智能化数字控制挤出复合机的开发

一、背景

挤出复合又称涂复或淋膜，是广泛使用的一种经济的复合薄膜方式，它是将聚乙烯、聚丙烯等热塑性塑料在挤出复合机中熔融，从扁平机头中呈薄膜状均匀流出，连续涂复在基材上，经冷却辊滚筒与压辊之间压合和冷却辊冷却，制成二层或二层以上的复合薄膜;挤出复合可以是单层复合，也可以多层一次性复合或多层多次复合，产品结构变化较多。

挤出复合具有生产速度快，生产过程简单，生产环境清洁，生产效率高，操作简便，成本低，无溶剂残留，无二氨基甲苯（致癌物质）残留等优点，是一种经济且环保的复合膜生产方法，在塑料软包装中占有重要的地位。

传统的干式复合存在溶剂残留，这些有害有毒物质对人体的危害极大，尤其是食品的包装。

挤出复合因为无溶剂残留，卫生性能较好，因而越来越受到重视。

目前，欧美先进国家已在不断强调环保和卫生的要求，最大量使用的挤出复合方法是：

无溶剂干式复合。

特别是近年来各种热粘结树脂的开发使用，如EAA，EMAA、EVA、离子聚合物以及各种酸粘接共聚物的大量使用，挤出复合产品的剥离强度达到和超过了干式复合，挤出复合薄膜正在逐渐取代溶剂型干式复合。

使挤复产品从单纯的食品包装向日化产品（如软管、牙膏、利乐包等）高档包装市场发展，已经成为软包装未来发展的重要方向。

目前，在美国和欧洲，挤出复合约占软包装的50%，而在日本和韩国更是达到了70%。

目前我国挤出复合产品约占软包装的25%左右，而且大部分是低档的产品包装。

目前的生产线速度不高，导致产量低下，常见为150-200m/Min;能耗较高，变频器之间没有采用共直流母线技术;采用传统的电阻丝加热，升温速度慢、热效率低;烘箱加热方式落后;自动化程度不高，导致操作复杂，如材料更换需人工换料;稳定性不够，非正常停机影响生产，导致产能不高;控制系统集成程度不高，没有采用高速工业以太网，使得控制器与变频器温度控制、测厚、张力控制等单元仅能交换少量数据;网络化水平低下，如远程监测、诊断，远程维护等实现困难。

二、挑战

辉隆塑机一直不断创新，致力于为客户提供节能、节材、高效的设备，引领行业技术的发展。

近年来，随着市场要求的不断提高，辉隆塑机创新研发的新一代挤出复合设备，电气控制系统面临着如下挑战：

2.1节能：

节能减排是十二五规划的重要目标，其中工业用电所占能源消耗比重很大。

需要使用绿色、低能耗的设备，有效减少能源消耗，降低客户在保有机器时的能源开支。

2.2张力控制：

张力控制是收放卷设备的核心，稳定的张力，才能保证合格的产品质量。

不但要求恒定的速度下张力稳定，同时设备加减速时，同样要求张力恒定。

相比匀速下，加减速过程的张力控制难度更大。

2.3高速放卷自动接料：

设备要求在300m/Min时实现换接料，接料过程中，摆辊摆动小于5mm，接头长度小于1m，成功率100%。

要实现换料过程摆辊几乎不动，要求新旧两条辊的放卷速度完全一致，即初始卷径非常准确。

只有新卷卷径准了，新卷预速的线速度才能和当前的线速度一致，保证换接料的张力稳定。

换接料的接头长度，要求在不同的线速度下，接头长度都一致，从而要求控制系统能准确的控制好切刀动作的时机。

2.4收卷自动接料：

收卷换料时，两把飞刀，从中间将连续的物料切断，切出一个三角形。

设备要求在不同的线速度下，该三角型形状一致。

切出三角形后，前方的新辊会掉落压在三角形的头部。

只有准确的控制好新辊下落的时机，才能保证不同速度下新辊都准确的压住三角形接头。

2.5换接料不降速：

挤出复合设备，要求放卷换卷时，整机生产速度不降速。

设备的升降速，会影响到挤出的均匀度、系统的张力等。

设备要在300m/Min实现换接料，且做到张力稳定，放卷接头小于1m，收卷接头偏差小于10cm，对控制系统提出了更高的要求。

2.6远程维护：

设备出现故障停机，需要最快的速度响应并解决问题。

设备分布在全国各地，甚至一部分设备出口到了国外。

如何应对这种突发情况?

传统的方式下，设备制造商需要招聘一个庞大的售后服务团队到处奔波，甚至最小连售后的差旅费用是公司一笔不小的开支。

人手紧缺的时候，还无法第一时间响应客户的请求。

所以越来越多的OEM厂商都意识到，控制系统提供一种性价比高的远程维护方案是多么重要!

2.7高可靠性的系统：

控制系统故障停机，重新恢复生产将需要1-2个小时，同时带来原材料的大量浪费，生产效率低下。

所以要求设备有非常好的可靠性，不会出现无故的停机、断料等。

根据设备变频器的状态信息，风扇和齿轮变速箱的运行时间，做到预测性维护。

整机纸路达40米，如果断纸，则重新穿纸恢复生产将需要大量的时间和人力!

下面以纸塑挤出复合机为例，描述辉隆塑机与罗克韦尔自动化共同面对挑战，如何实现携手跨越。

该纸杯纸专用纸塑复合单联共挤挤出复合生产线，是专为纸杯纸、甜筒纸的挤出复合生产而研发的。

图1纸塑共挤挤出复合机工作简图

1挤出机;2放卷机构;3摆动纠偏E.P.C;4进料座&电晕机;5复合座;6出料座&电晕机（反面）;7收卷机构

三、解决方案

使用材料：

1）使用树脂：

HDPE（高密度聚乙烯）、LDPE（低密度聚乙烯）、PP（聚丙烯）、EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）、EAA（乙烯-丙烯酸共聚物）等涂复级树脂

2）基材：

纸（120～400g/m2）

工艺流程：

主放卷Þ进料Þ正反面电晕Þ共挤挤出复合Þ切边整理Þ收卷

综合考虑该机的应用需要，我们采用了罗克韦尔自动化中型系统的解决方案。

方案如图2：

图2解决方案拓扑

方案以CompactLogixL33ERM为核心，用PowerFlex755系列变频器驱动收放卷和进出料以及复合冷却辊，用PowerFlex753变频器驱动挤出螺杆电机，采用了分布式I/O模块减少I/O接线长度，高品质的PVP6系列人机界面。

为了降低能耗，将PowerFlex变频器采用共直流母线方式连接。

整个控制系统的所有单元，通过应用最广泛的工业以太网总线EtherNet/IP连接。

四、竞争优势

4.1一体化数字交换控制系统

在高速、节能、数控的纸塑共挤复合设备中，包括PLC和和驱动变频器组建的子系统、分布式I/O系统、在线厚度测量数据采集系统以及在线温度测量数据采集系统。

采用EtherNet/IP网络，可以非常简单方便的实现多个子系统的数据交换和实时控制;利用各个子系统中的信息，使控制系统具有挤出复合生产线产品缺陷诊断专家系统等功能。

我们的解决方案，所有产品采用同一个平台、一个网络、一个软件、一根电缆。

RSLogix5000项目开发调试软件，可以实现PLC程序的组态、编写、调试，PowerFlex变频器的参数修改、整定等。

在EtherNet/IP网络上的任意一个节点接入网络，都能访问到网络上的所有节点。

图3模块化程序编程示意

4.2模块化程序编程

程序以罗克韦尔模板程序PowerProgram为基础编写。

采用模块化的编程，能够给客户提供更快速和便捷的应用软件开发。

应用软件具有更高的可靠性，改善应用软件的维护和操作，提高与其它设备和系统的互操作性。

模块化编程符合PackML规范。

4.3节能

共直流母线技术。

正常生产时，放卷电机工作在发电机状态，其它电机工作在电动机状态。

采用共直流母线技术，能将放卷电机产生的电能供其它电机使用，有效节约电能消耗。

PowerFlex变频器产品，支持共直流母线应用，并提供了详细的技术应用指南。

对于挤出机筒加热，采用电磁加热圈代替传统的电阻丝加热。

它是一种新型加热节能产品，具有节电效果显著，升温速度快，热效率高，降低生产环境温度，免维修等显著特点。

图4切刀的CAM曲线

4.4高精度闭环控制

对收放卷轴，以及中间的传动轴，采用带编码器闭环的磁通矢量控制，有效地提高速度控制精度。

特别是对放卷轴，设备要求速度范围30-300m/Min，卷径范围170-1600mm，调速范围大，是控制的难点。

项目中采用的PowerFlex755变频器，带编码器的磁通矢量控制，速度精度高达基速的0.001%。

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图5RA行业功能块

图6远程维护方案

4.5精确的切割位置控制

飞刀的控制，之前的做法为根据不同的生产线速度和幅宽，来计算出一个变频器的设定赫兹数。

我们创新地提出了采用CAM曲线来控制切割接头的做法。

将虚轴作为主轴，飞刀电机作为从轴，设计出一条CAM曲线。

这样，不管线速度怎样变化，切出的接头形状都是一样的。

更重要的是，还可以通过切刀的位置反算出三角形接头的位置，从而准确地控制新辊落下的时机。

4.6自动初始卷径测量

初始卷径的值对放卷自动接料至关重要，卷径偏差大，会导致接料张力波动大，更有甚者，会接料不成功导致断料。

传统的方式需要手动输入新卷的卷径，或者通过超声波测量装置测量卷径。

而我们分析设备的机械结构后，创新地提出根据机械尺寸的几何关系，采用理论计算的方式来得到放卷轴的初始卷径。

采用该方法后，可以有效避免工人疏忽而造成卷径偏差过大，也不存在超声波模拟量因为现场干扰而引起的卷径测量值突变。

4.7RA行业经验收放卷AOI

针对收放卷行业的典型环节，我们开发了行业应用功能块。

摆辊张力控制、张力传感器型的张力控制、卷径计算、张力锥度、摩擦以及负载惯量补偿等等，都有与之对应的功能块供直接使用。

这样，有效地减少了项目的开发时间，确保了设备的控制效果。

4.8远程维护

集成架构下的PLC、变频器、HMI、远程I/O等通过EtherNet/IP相连，采用未经修改的标准以太网协议，以此可以非常方便的通过虚拟专用网络VPN（virtualprivatenetwork）路由器实现远程访问。

对VPN路由器做简单的设置后，远程的电脑就可以通过VPN登陆到该路由器，实现对所有以太网设备的远程访问、程序的上载、下载等操作。

采用远程维护方式，可以减少维护人员出差次数、快速响应客户的维护需求、大大降低售后服务成本。

PVP6的人机界面支持VNC（VirtualNetworkComputing）功能，能将完整的窗口界面通过网络，传输到另一台计算机的屏幕上。

这样，通过EtherNet网络，我们可以在个人电脑、iPhone、Android等VNC客服端查看HMI的屏幕，如果权限允许，还可以远程操控画面。

五、效果

•升降速摆辊摆动小于3mm

•翻转过程放卷摆辊摆动小于3mm

•放卷自动接料过程摆辊摆动小于5mm

•正常生产中，摆辊摆动小于2mm

•收卷摆辊接料过程摆辊摆动小于2mm

•进料和出料摆辊摆动小于2mm

•作为控制系统参数的卷料直径自动测量精准

•生产自动化

•生产速度提高

•运转工艺数据记录的记忆功能强

•生产线产品缺陷诊断检修的速度快

•操作方便、工序少

•人工操作工序时间短

•操作人数少

六、结论

我们创新开发的设备，可以在300m/Min稳定生产，实现生产线不降速自动换接料，提高了设备的生产速度。

设备张力控制效果好，加减速、自动接料过程中摆辊张力稳定。

放卷初始卷径自动计算功能、根据设定的换料参数自动启动收放卷换料过程，提高了设备的自动化水平。

PowerFlex变频器采用共直流母线连接，有效降低设备能耗。

产品统一于集成架构这一平台，采用未经修改的标准以太网EtherNet/IP相连，非常方便调试。

支持VNC技术和远程维护，大大降低售后维护费用。

为提高剥离强度，提高制品膜的质量，进行绿色包装，辉隆塑机和罗克韦尔自动化共同探索，解决了挤出复合存在的一系列问题，成功地开发了高速节能智能化数字控制系统挤出复合机，其生产线节能、挤出复合膜平整度、挤出复合膜均匀度及剥离强度等指标处于国际先进水平，整机及控制系统达到国内领先水平，将会产生良好的经济效益和社会效益。