一、背景
擠出復合又稱涂復或淋膜，是廣泛使用的一種經(jīng)濟的復合薄膜方式，它是將聚乙烯、聚丙烯等熱塑性塑料在擠出復合機中熔融，從扁平機頭中呈薄膜狀均勻流出，連續(xù)涂復在基材上，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合薄膜;擠出復合可以是單層復合，也可以多層一次性復合或多層多次復合，產品結構變化較多。擠出復合具有生產速度快，生產過程簡單，生產環(huán)境清潔，生產效率高，操作簡便，成本低，無溶劑殘留，無二氨基甲苯(致癌物質)殘留等優(yōu)點，是一種經(jīng)濟且環(huán)保的復合膜生產方法，在塑料軟包裝中占有重要的地位。
傳統(tǒng)的干式復合存在溶劑殘留，這些有害有毒物質對人體的危害極大，尤其是食品的包裝。擠出復合因為無溶劑殘留，衛(wèi)生性能較好，因而越來越受到重視。目前，歐美先進國家已在不斷強調環(huán)保和衛(wèi)生的要求，最大量使用的擠出復合方法是：無溶劑干式復合。特別是近年來各種熱粘結樹脂的開發(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，擠出復合產品的剝離強度達到和超過了干式復合，擠出復合薄膜正在逐漸取代溶劑型干式復合。使擠復產品從單純的食品包裝向日化產品(如軟管、牙膏、利樂包等)高檔包裝市場發(fā)展，已經(jīng)成為軟包裝未來發(fā)展的重要方向。
目前，在美國和歐洲，擠出復合約占軟包裝的50%，而在日本和韓國更是達到了70%。目前我國擠出復合產品約占軟包裝的25%左右，而且大部分是低檔的產品包裝。
目前的生產線速度不高，導致產量低下，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;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;自動化程度不高，導致操作復雜，如材料更換需人工換料;穩(wěn)定性不夠，非正常停機影響生產，導致產能不高;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、測厚、張力控制等單元僅能交換少量數(shù)據(jù);網(wǎng)絡化水平低下，如遠程監(jiān)測、診斷，遠程維護等實現(xiàn)困難。
二、挑戰(zhàn)
輝隆塑機一直不斷創(chuàng)新，致力于為客戶提供節(jié)能、節(jié)材、高效的設備，引領行業(yè)技術的發(fā)展。近年來，隨著市場要求的不斷提高，輝隆塑機創(chuàng)新研發(fā)的新一代擠出復合設備，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，其中工業(yè)用電所占能源消耗比重很大。需要使用綠色、低能耗的設備，有效減少能源消耗，降低客戶在保有機器時的能源開支。
2.2 張力控制：張力控制是收放卷設備的核心，穩(wěn)定的張力，才能保證合格的產品質量。不但要求恒定的速度下張力穩(wěn)定，同時設備加減速時，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 高速放卷自動接料：設備要求在300m/Min時實現(xiàn)換接料，接料過程中，擺輥擺動小于5mm，接頭長度小于1m，成功率100%。要實現(xiàn)換料過程擺輥幾乎不動，要求新舊兩條輥的放卷速度完全一致，即初始卷徑非常準確。只有新卷卷徑準了，新卷預速的線速度才能和當前的線速度一致，保證換接料的張力穩(wěn)定。換接料的接頭長度，要求在不同的線速度下，接頭長度都一致，從而要求控制系統(tǒng)能準確的控制好切刀動作的時機。
2.4 收卷自動接料：收卷換料時，兩把飛刀，從中間將連續(xù)的物料切斷，切出一個三角形。設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，前方的新輥會掉落壓在三角形的頭部。只有準確的控制好新輥下落的時機，才能保證不同速度下新輥都準確的壓住三角形接頭。
2.5 換接料不降速：擠出復合設備，要求放卷換卷時，整機生產速度不降速。設備的升降速，會影響到擠出的均勻度、系統(tǒng)的張力等。設備要在300m/Min實現(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，對控制系統(tǒng)提出了更高的要求。
2.6 遠程維護：設備出現(xiàn)故障停機，需要最快的速度響應并解決問題。設備分布在全國各地，甚至一部分設備出口到了國外。如何應對這種突發(fā)情況?傳統(tǒng)的方式下，設備制造商需要招聘一個龐大的售后服務團隊到處奔波，甚至最小連售后的差旅費用是公司一筆不小的開支。人手緊缺的時候，還無法第一時間響應客戶的請求。所以越來越多的OEM廠商都意識到，控制系統(tǒng)提供一種性價比高的遠程維護方案是多么重要!
2.7 高可靠性的系統(tǒng)：控制系統(tǒng)故障停機，重新恢復生產將需要1-2個小時，同時帶來原材料的大量浪費，生產效率低下。所以要求設備有非常好的可靠性，不會出現(xiàn)無故的停機、斷料等。根據(jù)設備變頻器的狀態(tài)信息，風扇和齒輪變速箱的運行時間，做到預測性維護。整機紙路達40米，如果斷紙，則重新穿紙恢復生產將需要大量的時間和人力!
下面以紙塑擠出復合機為例，描述輝隆塑機與羅克韋爾自動化共同面對挑戰(zhàn)，如何實現(xiàn)攜手跨越。該紙杯紙專用紙塑復合單聯(lián)共擠擠出復合生產線，是專為紙杯紙、甜筒紙的擠出復合生產而研發(fā)的。
圖1 紙塑共擠擠出復合機工作簡圖
1 擠出機;2 放卷機構;3 擺動糾偏E.P.C;4 進料座&電暈機;5 復合座;6 出料座&電暈機(反面);7 收卷機構
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)等涂復級樹脂
2) 基材：紙(120～400g/m2)
工藝流程：
主放卷T進料T正反面電暈T共擠擠出復合T切邊整理T收卷
綜合考慮該機的應用需要，我們采用了羅克韋爾自動化中型系統(tǒng)的解決方案。方案如圖2：
圖2 解決方案拓撲
方案以CompactLogix L33 ERM為核心，用PowerFlex 755系列變頻器驅動收放卷和進出料以及復合冷卻輥，用PowerFlex 753變頻器驅動擠出螺桿電機，采用了分布式I/O模塊減少I/O接線長度，高品質的PVP6系列人機界面。為了降低能耗，將PowerFlex變頻器采用共直流母線方式連接。整個控制系統(tǒng)的所有單元，通過應用最廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)總線EtherNet/IP連接。
四、競爭優(yōu)勢
4.1 一體化數(shù)字交換控制系統(tǒng)
在高速、節(jié)能、數(shù)控的紙塑共擠復合設備中，包括PLC和和驅動變頻器組建的子系統(tǒng)、分布式I/O系統(tǒng)、在線厚度測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及在線溫度測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用EtherNet/IP網(wǎng)絡，可以非常簡單方便的實現(xiàn)多個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和實時控制;利用各個子系統(tǒng)中的信息，使控制系統(tǒng)具有擠出復合生產線產品缺陷診斷專家系統(tǒng)等功能。
我們的解決方案，所有產品采用同一個平臺、一個網(wǎng)絡、一個軟件、一根電纜。RSLogix 5000項目開發(fā)調試軟件，可以實現(xiàn)PLC程序的組態(tài)、編寫、調試，PowerFlex變頻器的參數(shù)修改、整定等。在EtherNet/IP網(wǎng)絡上的任意一個節(jié)點接入網(wǎng)絡，都能訪問到網(wǎng)絡上的所有節(jié)點。
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用軟件開發(fā)。應用軟件具有更高的可靠性，改善應用軟件的維護和操作，提高與其它設備和系統(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。正常生產時，放卷電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，其它電機工作在電動機狀態(tài)。采用共直流母線技術，能將放卷電機產生的電能供其它電機使用，有效節(jié)約電能消耗。PowerFlex變頻器產品，支持共直流母線應用，并提供了詳細的技術應用指南。
對于擠出機筒加熱，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)能產品，具有節(jié)電效果顯著，升溫速度快，熱效率高，降低生產環(huán)境溫度，免維修等顯著特點。
圖4 切刀的CAM曲線
4.4 高精度閉環(huán)控制
對收放卷軸，以及中間的傳動軸，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。特別是對放卷軸，設備要求速度范圍30-300m/Min，卷徑范圍170-1600mm，調速范圍大，是控制的難點。項目中采用的PowerFlex 755變頻器，帶編碼器的磁通矢量控制，速度精度高達基速的0.001%。
圖5 RA行業(yè)功能塊
圖6 遠程維護方案
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)不同的生產線速度和幅寬，來計算出一個變頻器的設定赫茲數(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，飛刀電機作為從軸，設計出一條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，從而準確地控制新輥落下的時機。
4.6 自動初始卷徑測量
初始卷徑的值對放卷自動接料至關重要，卷徑偏差大，會導致接料張力波動大，更有甚者，會接料不成功導致斷料。傳統(tǒng)的方式需要手動輸入新卷的卷徑，或者通過超聲波測量裝置測量卷徑。而我們分析設備的機械結構后，創(chuàng)新地提出根據(jù)機械尺寸的幾何關系，采用理論計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為現(xiàn)場干擾而引起的卷徑測量值突變。
4.7 RA行業(yè)經(jīng)驗收放卷AOI
針對收放卷行業(yè)的典型環(huán)節(jié)，我們開發(fā)了行業(yè)應用功能塊。擺輥張力控制、張力傳感器型的張力控制、卷徑計算、張力錐度、摩擦以及負載慣量補償?shù)鹊?，都有與之對應的功能塊供直接使用。這樣，有效地減少了項目的開發(fā)時間，確保了設備的控制效果。
4.8 遠程維護
集成架構下的PLC、變頻器、HMI、遠程I/O等通過EtherNet/IP相連，采用未經(jīng)修改的標準以太網(wǎng)協(xié)議，以此可以非常方便的通過虛擬專用網(wǎng)絡VPN(virtual private network)路由器實現(xiàn)遠程訪問。對VPN路由器做簡單的設置后，遠程的電腦就可以通過VPN登陸到該路由器，實現(xiàn)對所有以太網(wǎng)設備的遠程訪問、程序的上載、下載等操作。
采用遠程維護方式，可以減少維護人員出差次數(shù)、快速響應客戶的維護需求、大大降低售后服務成本。
PVP6的人機界面支持VNC(Virtual Network Computing)功能，能將完整的窗口界面通過網(wǎng)絡，傳輸?shù)搅硪慌_計算機的屏幕上。這樣，通過EtherNet網(wǎng)絡，我們可以在個人電腦、iPhone、Android等VNC 客服端查看HMI的屏幕，如果權限允許，還可以遠程操控畫面。
五、效果
? 升降速擺輥擺動小于3mm
? 翻轉過程放卷擺輥擺動小于3mm
? 放卷自動接料過程擺輥擺動小于5mm
? 正常生產中，擺輥擺動小于2mm
? 收卷擺輥接料過程擺輥擺動小于2mm
? 進料和出料擺輥擺動小于2mm
? 作為控制系統(tǒng)參數(shù)的卷料直徑自動測量精準
? 生產自動化
? 生產速度提高
? 運轉工藝數(shù)據(jù)記錄的記憶功能強
? 生產線產品缺陷診斷檢修的速度快
? 操作方便、工序少
? 人工操作工序時間短
? 操作人數(shù)少
六、結論
我們創(chuàng)新開發(fā)的設備，可以在300m/Min穩(wěn)定生產，實現(xiàn)生產線不降速自動換接料，提高了設備的生產速度。設備張力控制效果好，加減速、自動接料過程中擺輥張力穩(wěn)定。放卷初始卷徑自動計算功能、根據(jù)設定的換料參數(shù)自動啟動收放卷換料過程，提高了設備的自動化水平。PowerFlex變頻器采用共直流母線連接，有效降低設備能耗。產品統(tǒng)一于集成架構這一平臺，采用未經(jīng)修改的標準以太網(wǎng)EtherNet/IP相連，非常方便調試。支持VNC技術和遠程維護，大大降低售后維護費用。
為提高剝離強度，提高制品膜的質量，進行綠色包裝，輝隆塑機和羅克韋爾自動化共同探索，解決了擠出復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)擠出復合機，其生產線節(jié)能、擠出復合膜平整度、擠出復合膜均勻度及剝離強度等指標處于國際先進水平，整機及控制系統(tǒng)達到國內領先水平，將會產生良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
（轉載）
