生箔机控制系统的设计与实现

2013-04-16刘相杰罗经津肖麟芬

机械制造 2013年3期

□ 刘相杰 □ 罗经津 □ 肖麟芬

中船重工集团第707研究所江西九江 332007

随着信息产业的迅速发展，印制电路板的应用日益增多，铜箔作为印制电路板、覆铜板等不可缺少的主要原材料，市场需求也日益增加。受印制电路板的加工复杂性、工艺要求等影响，对铜箔的生产加工要求严格，不仅要求厚薄均匀，且各项物理、化学性能要求稳定。生箔机作为铜箔生产过程中极其重要的控制设备，其对生产中铜箔张力的精确控制不仅直接影响到铜箔质量，还关系到厂家的生产效益。所以在铜箔生产过程中，需对铜箔卷的张力进行准确监测，对钛辊、收卷辊的转速要求精确调节。

生箔机控制系统在线监控点多、采样精度高、逻辑条件复杂，若用一般逻辑控制方式设计，系统繁琐，故障率高，性能难以满足工艺要求。为此，宜采用先进的计算机技术和控制理论设计，提高系统的稳定性和可靠性；添加通信功能，实时显示各监测点的变化趋势及故障报警画面，形成自动检测、控制、监管相结合的一体化系统。

▲图1 生箔机生产工艺

1 生箔机工作原理

生箔机主要由钛辊、阳极、整流装置、传动装置及电控系统等组成，其生产工艺如图1所示。

生箔机工作时，电解槽中充满硫酸铜电解液，由泵稳定调节控制其液面高度。钛辊置于电解槽中，在高频开关电源产生的低电压大电流作用下，钛辊吸收铜离子，生成镀铜层；钛辊在变频器驱动下以一定速度转动，粘附其上的铜箔在张力带动下，自动剥离钛辊生成铜箔带；铜箔带经多个夹送辊输送后由收卷辊牵引缠绕成卷。在铜箔带边沿装有多个不同检测开关，用以检测判断铜箔带是否边缘平整或断裂等。

铜箔带在经过夹送辊输送时会产生一定张力，通过压力传感器实时监测该张力值，并将其输入可编程控制器（PLC）进行解算，反馈输出调节收卷辊的转速，以保证铜箔带在收卷辊牵引过程中保持恒定张力，即可实现铜箔生产的质量控制。

2 生箔机控制系统组成

生箔机控制系统如图2所示，它主要由PLC、触摸屏、压力传感器、变频器、控制电机等组成。PLC选用性价比高的西门子S7-300系列，它采用模块式结构，配置灵活、功能齐全、运行可靠，具有良好的环境适应性和抗干扰能力；软件编程简单，指令丰富，易于学习和使用。触摸屏选用台达DOP-B系列，其编辑软件Screen Editor界面简洁、友好、编辑方便，65536色面板使触摸屏具有较好的显示效果。触摸屏的应用省去了传统面板上的开关按钮、指示灯等，节省了PLC硬件输入输出点，使操作更方便。变频器选用台达VFD-VE系列，体积小、性能稳定、性价比高，且接线方便，安装调试简单。

3 生箔机控制系统的设计与实现

3.1 张力解算

铜箔带生产控制，其张力解算至关重要。铜箔带张力由安装在夹送辊上压力传感器检测得来，压力传感器安装示意图如图3所示。

▲图2 生箔机控制系统组成

▲图3 张力检测示意图

由图3可见，当铜箔带经绕夹送辊时，将使夹送辊产生一个下压力，经压力传感器1、2检测后输出mv级电压信号，再由高精密线性放大器处理后变换为0～10V信号，输入至PLC的A/D采样模块，将其转换为相应的数字量信号S1和S2。

PLC将夹送辊压力信号转换为数字量S1和S2后，需将其解算为铜箔带的生产张力。处理方法为：首先需校准压力传感器，以去除夹送辊本身自重，通过系数校准实现平衡压力传感器线性度，校准后的系数作为铜箔张力解算依据。设传感器1系数为K1，传感器2系数为K2，夹送辊在传感器1、传感器2上自重采样码值为S10和S20；将一重量为M砝码垂直放置于传感器1端，此时传感器1和传感器2的采样码为S11和S21；同样将该砝码垂直放置于传感器2端，此时传感器1和传感器2的采样码为S12和S22。即可通过下列方程组解算 K1及 K2：

得到K1及K2后，可通过式（2）解算出铜箔张力在压力传感器上的垂直向分力N1：

夹送辊受力分析如图4所示。

▲图4 夹送辊受力分析

图中α为铜箔与垂直方向的夹角。

由图4受力分析可得，铜箔带张力N为：

至此，铜箔带张力由压力传感器采样值解算得出。

3.2 张力控制

铜箔张力控制是生箔机控制系统的关键，将张力控制在一定范围内，直接关系到铜箔的品质，从而影响铜箔的后序处理。控制系统通过变频器调节控制铜箔带张力，即通过输出变频调节收卷辊转速，控制铜箔带保持一定的线速度。

控制系统设有手动和自动两种工种方式。当手动方式工作时，可人为调节收卷辊电机及钛辊电机的运行频率，以调节铜箔张力；当自动方式工作时，系统将依据解算得出的铜箔张力N及设定张力NSp，自动控制调节收卷辊电机频率，控制方法如下：

▲图5 程序流程

式中：FQ为收卷电机频率输出值；FC为收卷电机当前频率值；FP为PID调节值（步距）。

当系统运行时，首先根据所需生产铜箔厚度、电解液浓度及电解电流大小等因素确定钛辊电机的运行频率；将系统控制选为手动方式，手动将铜箔卷绕行至收卷辊上；手动调节收卷辊电机频率，当铜箔张力达到设定张力范围时，切换系统控制为自动方式，系统将自动调节收卷辊电机运行频率。

在自动控制方式下，随着收卷电机转动，铜箔在收卷过程中会在张力作用下存在一定韧性。若采用PLC自带PID调节功能块，易出现收卷辊电机频率调节过快，造成铜箔张力不稳定、易打褶、断箔等现象，严重影响生箔机生产效率，因此需根据生箔机张力特性编写PID功能块。

生箔机张力PID调节采用步距控制，设铜箔设定张力为NSp，实际张力为N，变频器当前输出频率为F，变频器调整步距为F1，则铜箔生产控制流程如图5所示。

系统控制采用定时器T（可根据需要在触摸屏上设定）控制PID输出调节时间：当定时器工作时，检测设定张力和实际张力大小，并分别计数设定张力大于实际张力次数C1及计数设定张力小于实际张力次数C2；当定时结束时，比较C1和C2值大小，从而通过调节步距F1来改变变频器输出频率，达到控制铜箔张力的目的。

3.3 人机界面设计

▲图6 系统主画面

系统人机交互操作、显示界面选用台达触摸屏编辑软件Screen Editor编程，软件提供有丰富的元件图形库，可灵活生动地显示生箔机状态；画面编辑简单易用，显示效果良好，具有较高的稳定性和兼容性，直观的图形界面便于学习和使用。软件编制时以填入式对话建立目标；将画面显示信息与PLC程序控制状态对应，实现操作和控制一致；分别对各功能文档进行配置，即在相应对话框中选择参数，再定制最终显示画面，用于显示设备状态、参数设置、报警信息等。该触摸屏提供故障报警显示控件，能及时反馈当前系统故障报警信息，给维护人员带来极大帮助。各显示画面可由“主画面”自由切换，为了提高系统的安全性，在进入工艺参数、系统参数等重要画面前设有口令管理，使合法操作员才可进入对其修改。系统运行主画面如图6所示。