一、背景
擠出復(fù)合又稱涂復(fù)或淋膜，是廣泛使用的一種經(jīng)濟(jì)的復(fù)合薄膜方式，它是將聚乙烯、聚丙烯等熱塑性塑料在擠出復(fù)合機(jī)中熔融，從扁平機(jī)頭中呈薄膜狀均勻流出，連續(xù)涂復(fù)在基材上，經(jīng)冷卻輥滾筒與壓輥之間壓合和冷卻輥冷卻，制成二層或二層以上的復(fù)合薄膜;擠出復(fù)合可以是單層復(fù)合，也可以多層一次性復(fù)合或多層多次復(fù)合，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化較多。擠出復(fù)合具有生產(chǎn)速度快，生產(chǎn)過程簡(jiǎn)單，生產(chǎn)環(huán)境清潔，生產(chǎn)效率高，操作簡(jiǎn)便，成本低，無溶劑殘留，無二氨基甲苯(致癌物質(zhì))殘留等優(yōu)點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)且環(huán)保的復(fù)合膜生產(chǎn)方法，在塑料軟包裝中占有重要的地位。
傳統(tǒng)的干式復(fù)合存在溶劑殘留，這些有害有毒物質(zhì)對(duì)人體的危害極大，尤其是食品的包裝。擠出復(fù)合因?yàn)闊o溶劑殘留，衛(wèi)生性能較好，因而越來越受到重視。目前，歐美先進(jìn)國(guó)家已在不斷強(qiáng)調(diào)環(huán)保和衛(wèi)生的要求，最大量使用的擠出復(fù)合方法是：無溶劑干式復(fù)合。特別是近年來各種熱粘結(jié)樹脂的開發(fā)使用，如EAA，EMAA、EVA、離子聚合物以及各種酸粘接共聚物的大量使用，擠出復(fù)合產(chǎn)品的剝離強(qiáng)度達(dá)到和超過了干式復(fù)合，擠出復(fù)合薄膜正在逐漸取代溶劑型干式復(fù)合。使擠復(fù)產(chǎn)品從單純的食品包裝向日化產(chǎn)品(如軟管、牙膏、利樂包等)高檔包裝市場(chǎng)發(fā)展，已經(jīng)成為軟包裝未來發(fā)展的重要方向。
目前，在美國(guó)和歐洲，擠出復(fù)合約占軟包裝的50%，而在日本和韓國(guó)更是達(dá)到了70%。目前我國(guó)擠出復(fù)合產(chǎn)品約占軟包裝的25%左右，而且大部分是低檔的產(chǎn)品包裝。
目前的生產(chǎn)線速度不高，導(dǎo)致產(chǎn)量低下，常見為150-200m/Min;能耗較高，變頻器之間沒有采用共直流母線技術(shù);采用傳統(tǒng)的電阻絲加熱，升溫速度慢、熱效率低;烘箱加熱方式落后;自動(dòng)化程度不高，導(dǎo)致操作復(fù)雜，如材料更換需人工換料;穩(wěn)定性不夠，非正常停機(jī)影響生產(chǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)能不高;控制系統(tǒng)集成程度不高，沒有采用高速工業(yè)以太網(wǎng)，使得控制器與變頻器溫度控制、測(cè)厚、張力控制等單元僅能交換少量數(shù)據(jù);網(wǎng)絡(luò)化水平低下，如遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、診斷，遠(yuǎn)程維護(hù)等實(shí)現(xiàn)困難。
二、挑戰(zhàn)
輝隆塑機(jī)一直不斷創(chuàng)新，致力于為客戶提供節(jié)能、節(jié)材、高效的設(shè)備，引領(lǐng)行業(yè)技術(shù)的發(fā)展。近年來，隨著市場(chǎng)要求的不斷提高，輝隆塑機(jī)創(chuàng)新研發(fā)的新一代擠出復(fù)合設(shè)備，電氣控制系統(tǒng)面臨著如下挑戰(zhàn)：
2.1 節(jié)能：節(jié)能減排是十二五規(guī)劃的重要目標(biāo)，其中工業(yè)用電所占能源消耗比重很大。需要使用綠色、低能耗的設(shè)備，有效減少能源消耗，降低客戶在保有機(jī)器時(shí)的能源開支。
2.2 張力控制：張力控制是收放卷設(shè)備的核心，穩(wěn)定的張力，才能保證合格的產(chǎn)品質(zhì)量。不但要求恒定的速度下張力穩(wěn)定，同時(shí)設(shè)備加減速時(shí)，同樣要求張力恒定。相比勻速下，加減速過程的張力控制難度更大。
2.3 高速放卷自動(dòng)接料：設(shè)備要求在300m/Min時(shí)實(shí)現(xiàn)換接料，接料過程中，擺輥擺動(dòng)小于5mm，接頭長(zhǎng)度小于1m，成功率100%。要實(shí)現(xiàn)換料過程擺輥幾乎不動(dòng)，要求新舊兩條輥的放卷速度完全一致，即初始卷徑非常準(zhǔn)確。只有新卷卷徑準(zhǔn)了，新卷預(yù)速的線速度才能和當(dāng)前的線速度一致，保證換接料的張力穩(wěn)定。換接料的接頭長(zhǎng)度，要求在不同的線速度下，接頭長(zhǎng)度都一致，從而要求控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確的控制好切刀動(dòng)作的時(shí)機(jī)。
2.4 收卷自動(dòng)接料：收卷換料時(shí)，兩把飛刀，從中間將連續(xù)的物料切斷，切出一個(gè)三角形。設(shè)備要求在不同的線速度下，該三角型形狀一致。切出三角形后，前方的新輥會(huì)掉落壓在三角形的頭部。只有準(zhǔn)確的控制好新輥下落的時(shí)機(jī)，才能保證不同速度下新輥都準(zhǔn)確的壓住三角形接頭。
2.5 換接料不降速：擠出復(fù)合設(shè)備，要求放卷換卷時(shí)，整機(jī)生產(chǎn)速度不降速。設(shè)備的升降速，會(huì)影響到擠出的均勻度、系統(tǒng)的張力等。設(shè)備要在300m/Min實(shí)現(xiàn)換接料，且做到張力穩(wěn)定，放卷接頭小于1m，收卷接頭偏差小于10cm，對(duì)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。
2.6 遠(yuǎn)程維護(hù)：設(shè)備出現(xiàn)故障停機(jī)，需要最快的速度響應(yīng)并解決問題。設(shè)備分布在全國(guó)各地，甚至一部分設(shè)備出口到了國(guó)外。如何應(yīng)對(duì)這種突發(fā)情況?傳統(tǒng)的方式下，設(shè)備制造商需要招聘一個(gè)龐大的售后服務(wù)團(tuán)隊(duì)到處奔波，甚至最小連售后的差旅費(fèi)用是公司一筆不小的開支。人手緊缺的時(shí)候，還無法第一時(shí)間響應(yīng)客戶的請(qǐng)求。所以越來越多的OEM廠商都意識(shí)到，控制系統(tǒng)提供一種性價(jià)比高的遠(yuǎn)程維護(hù)方案是多么重要!
2.7 高可靠性的系統(tǒng)：控制系統(tǒng)故障停機(jī)，重新恢復(fù)生產(chǎn)將需要1-2個(gè)小時(shí)，同時(shí)帶來原材料的大量浪費(fèi)，生產(chǎn)效率低下。所以要求設(shè)備有非常好的可靠性，不會(huì)出現(xiàn)無故的停機(jī)、斷料等。根據(jù)設(shè)備變頻器的狀態(tài)信息，風(fēng)扇和齒輪變速箱的運(yùn)行時(shí)間，做到預(yù)測(cè)性維護(hù)。整機(jī)紙路達(dá)40米，如果斷紙，則重新穿紙恢復(fù)生產(chǎn)將需要大量的時(shí)間和人力!
下面以紙塑擠出復(fù)合機(jī)為例，描述輝隆塑機(jī)與羅克韋爾自動(dòng)化共同面對(duì)挑戰(zhàn)，如何實(shí)現(xiàn)攜手跨越。該紙杯紙專用紙塑復(fù)合單聯(lián)共擠擠出復(fù)合生產(chǎn)線，是專為紙杯紙、甜筒紙的擠出復(fù)合生產(chǎn)而研發(fā)的。
圖1 紙塑共擠擠出復(fù)合機(jī)工作簡(jiǎn)圖
1 擠出機(jī);2 放卷機(jī)構(gòu);3 擺動(dòng)糾偏E.P.C;4 進(jìn)料座&電暈機(jī);5 復(fù)合座;6 出料座&電暈機(jī)(反面);7 收卷機(jī)構(gòu)
三、解決方案
使用材料：
1) 使用樹脂：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)等涂復(fù)級(jí)樹脂
2) 基材：紙(120～400g/m2)
工藝流程：
主放卷T進(jìn)料T正反面電暈T共擠擠出復(fù)合T切邊整理T收卷
綜合考慮該機(jī)的應(yīng)用需要，我們采用了羅克韋爾自動(dòng)化中型系統(tǒng)的解決方案。方案如圖2：
圖2 解決方案拓?fù)?/FONT>
方案以CompactLogix L33 ERM為核心，用PowerFlex 755系列變頻器驅(qū)動(dòng)收放卷和進(jìn)出料以及復(fù)合冷卻輥，用PowerFlex 753變頻器驅(qū)動(dòng)擠出螺桿電機(jī)，采用了分布式I/O模塊減少I/O接線長(zhǎng)度，高品質(zhì)的PVP6系列人機(jī)界面。為了降低能耗，將PowerFlex變頻器采用共直流母線方式連接。整個(gè)控制系統(tǒng)的所有單元，通過應(yīng)用最廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)總線EtherNet/IP連接。
四、競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)
4.1 一體化數(shù)字交換控制系統(tǒng)
在高速、節(jié)能、數(shù)控的紙塑共擠復(fù)合設(shè)備中，包括PLC和和驅(qū)動(dòng)變頻器組建的子系統(tǒng)、分布式I/O系統(tǒng)、在線厚度測(cè)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及在線溫度測(cè)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)，可以非常簡(jiǎn)單方便的實(shí)現(xiàn)多個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和實(shí)時(shí)控制;利用各個(gè)子系統(tǒng)中的信息，使控制系統(tǒng)具有擠出復(fù)合生產(chǎn)線產(chǎn)品缺陷診斷專家系統(tǒng)等功能。
我們的解決方案，所有產(chǎn)品采用同一個(gè)平臺(tái)、一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、一個(gè)軟件、一根電纜。RSLogix 5000項(xiàng)目開發(fā)調(diào)試軟件，可以實(shí)現(xiàn)PLC程序的組態(tài)、編寫、調(diào)試，PowerFlex變頻器的參數(shù)修改、整定等。在EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)上的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)，都能訪問到網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)。
圖3 模塊化程序編程示意
4.2 模塊化程序編程
程序以羅克韋爾模板程序PowerProgram為基礎(chǔ)編寫。采用模塊化的編程，能夠給客戶提供更快速和便捷的應(yīng)用軟件開發(fā)。應(yīng)用軟件具有更高的可靠性，改善應(yīng)用軟件的維護(hù)和操作，提高與其它設(shè)備和系統(tǒng)的互操作性。模塊化編程符合PackML規(guī)范。
4.3 節(jié)能
共直流母線技術(shù)。正常生產(chǎn)時(shí)，放卷電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，其它電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。采用共直流母線技術(shù)，能將放卷電機(jī)產(chǎn)生的電能供其它電機(jī)使用，有效節(jié)約電能消耗。PowerFlex變頻器產(chǎn)品，支持共直流母線應(yīng)用，并提供了詳細(xì)的技術(shù)應(yīng)用指南。
對(duì)于擠出機(jī)筒加熱，采用電磁加熱圈代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻絲加熱。它是一種新型加熱節(jié)能產(chǎn)品，具有節(jié)電效果顯著，升溫速度快，熱效率高，降低生產(chǎn)環(huán)境溫度，免維修等顯著特點(diǎn)。
圖4 切刀的CAM曲線
4.4 高精度閉環(huán)控制
對(duì)收放卷軸，以及中間的傳動(dòng)軸，采用帶編碼器閉環(huán)的磁通矢量控制，有效地提高速度控制精度。特別是對(duì)放卷軸，設(shè)備要求速度范圍30-300m/Min，卷徑范圍170-1600mm，調(diào)速范圍大，是控制的難點(diǎn)。項(xiàng)目中采用的PowerFlex 755變頻器，帶編碼器的磁通矢量控制，速度精度高達(dá)基速的0.001%。
圖5 RA行業(yè)功能塊
圖6 遠(yuǎn)程維護(hù)方案
4.5 精確的切割位置控制
飛刀的控制，之前的做法為根據(jù)不同的生產(chǎn)線速度和幅寬，來計(jì)算出一個(gè)變頻器的設(shè)定赫茲數(shù)。我們創(chuàng)新地提出了采用CAM曲線來控制切割接頭的做法。將虛軸作為主軸，飛刀電機(jī)作為從軸，設(shè)計(jì)出一條CAM曲線。這樣，不管線速度怎樣變化，切出的接頭形狀都是一樣的。更重要的是，還可以通過切刀的位置反算出三角形接頭的位置，從而準(zhǔn)確地控制新輥落下的時(shí)機(jī)。
4.6 自動(dòng)初始卷徑測(cè)量
初始卷徑的值對(duì)放卷自動(dòng)接料至關(guān)重要，卷徑偏差大，會(huì)導(dǎo)致接料張力波動(dòng)大，更有甚者，會(huì)接料不成功導(dǎo)致斷料。傳統(tǒng)的方式需要手動(dòng)輸入新卷的卷徑，或者通過超聲波測(cè)量裝置測(cè)量卷徑。而我們分析設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)后，創(chuàng)新地提出根據(jù)機(jī)械尺寸的幾何關(guān)系，采用理論計(jì)算的方式來得到放卷軸的初始卷徑。采用該方法后，可以有效避免工人疏忽而造成卷徑偏差過大，也不存在超聲波模擬量因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)干擾而引起的卷徑測(cè)量值突變。
4.7 RA行業(yè)經(jīng)驗(yàn)收放卷AOI
針對(duì)收放卷行業(yè)的典型環(huán)節(jié)，我們開發(fā)了行業(yè)應(yīng)用功能塊。擺輥張力控制、張力傳感器型的張力控制、卷徑計(jì)算、張力錐度、摩擦以及負(fù)載慣量補(bǔ)償?shù)鹊龋加信c之對(duì)應(yīng)的功能塊供直接使用。這樣，有效地減少了項(xiàng)目的開發(fā)時(shí)間，確保了設(shè)備的控制效果。
4.8 遠(yuǎn)程維護(hù)
集成架構(gòu)下的PLC、變頻器、HMI、遠(yuǎn)程I/O等通過EtherNet/IP相連，采用未經(jīng)修改的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議，以此可以非常方便的通過虛擬專用網(wǎng)絡(luò)VPN(virtual private network)路由器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問。對(duì)VPN路由器做簡(jiǎn)單的設(shè)置后，遠(yuǎn)程的電腦就可以通過VPN登陸到該路由器，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有以太網(wǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問、程序的上載、下載等操作。
采用遠(yuǎn)程維護(hù)方式，可以減少維護(hù)人員出差次數(shù)、快速響應(yīng)客戶的維護(hù)需求、大大降低售后服務(wù)成本。
PVP6的人機(jī)界面支持VNC(Virtual Network Computing)功能，能將完整的窗口界面通過網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)搅硪慌_(tái)計(jì)算機(jī)的屏幕上。這樣，通過EtherNet網(wǎng)絡(luò)，我們可以在個(gè)人電腦、iPhone、Android等VNC 客服端查看HMI的屏幕，如果權(quán)限允許，還可以遠(yuǎn)程操控畫面。
五、效果
? 升降速擺輥擺動(dòng)小于3mm
? 翻轉(zhuǎn)過程放卷擺輥擺動(dòng)小于3mm
? 放卷自動(dòng)接料過程擺輥擺動(dòng)小于5mm
? 正常生產(chǎn)中，擺輥擺動(dòng)小于2mm
? 收卷擺輥接料過程擺輥擺動(dòng)小于2mm
? 進(jìn)料和出料擺輥擺動(dòng)小于2mm
? 作為控制系統(tǒng)參數(shù)的卷料直徑自動(dòng)測(cè)量精準(zhǔn)
? 生產(chǎn)自動(dòng)化
? 生產(chǎn)速度提高
? 運(yùn)轉(zhuǎn)工藝數(shù)據(jù)記錄的記憶功能強(qiáng)
? 生產(chǎn)線產(chǎn)品缺陷診斷檢修的速度快
? 操作方便、工序少
? 人工操作工序時(shí)間短
? 操作人數(shù)少
六、結(jié)論
我們創(chuàng)新開發(fā)的設(shè)備，可以在300m/Min穩(wěn)定生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線不降速自動(dòng)換接料，提高了設(shè)備的生產(chǎn)速度。設(shè)備張力控制效果好，加減速、自動(dòng)接料過程中擺輥張力穩(wěn)定。放卷初始卷徑自動(dòng)計(jì)算功能、根據(jù)設(shè)定的換料參數(shù)自動(dòng)啟動(dòng)收放卷換料過程，提高了設(shè)備的自動(dòng)化水平。PowerFlex變頻器采用共直流母線連接，有效降低設(shè)備能耗。產(chǎn)品統(tǒng)一于集成架構(gòu)這一平臺(tái)，采用未經(jīng)修改的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)EtherNet/IP相連，非常方便調(diào)試。支持VNC技術(shù)和遠(yuǎn)程維護(hù)，大大降低售后維護(hù)費(fèi)用。
為提高剝離強(qiáng)度，提高制品膜的質(zhì)量，進(jìn)行綠色包裝，輝隆塑機(jī)和羅克韋爾自動(dòng)化共同探索，解決了擠出復(fù)合存在的一系列問題，成功地開發(fā)了高速節(jié)能智能化數(shù)字控制系統(tǒng)擠出復(fù)合機(jī)，其生產(chǎn)線節(jié)能、擠出復(fù)合膜平整度、擠出復(fù)合膜均勻度及剝離強(qiáng)度等指標(biāo)處于國(guó)際先進(jìn)水平，整機(jī)及控制系統(tǒng)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，將會(huì)產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
（轉(zhuǎn)載）
