BOPP膜厚均勻度控制器的製作方法

2023-10-19 22:40:32 2

本發明涉及薄膜製造技術領域，具體涉及一種bopp膜厚均勻度控制器。

背景技術：

bopp薄膜即雙向拉伸聚丙烯薄膜是由雙向拉伸所製得的，它是經過物理、化學和機械等手段特殊成型加工而成的塑料產品。bopp生產線是一個非線性、時變、大延遲的複雜系統。其工藝流程主要包括：原料熔融、擠出、冷卻成型、縱向拉伸、橫向拉伸、切邊、電暈處理、卷取等。

作為bopp薄膜產品質量指標的物理機械性能如拉伸強度、斷裂伸長率、濁度、光澤等，因主要決定於材料本身的屬性，所以都易達到要求。而作為再加工性和使用性能的主要控制指標，即薄膜厚度偏差和薄膜平均厚度偏差，則主要決定於薄膜的製造過程。即使製造過程中薄膜厚度控制在在標準允許的偏差範圍內，但經數千層膜收卷累計後，厚度偏差大的位置上就可能形成箍、暴筋或凹溝等不良缺陷，這些缺陷直接影響到用戶的再加工使用，如彩印套色錯位或塗膠不勻起皺等現象，使其降低或失去使用價值。所以bopp薄膜生產中最關鍵的質量間題是如何提高和穩定薄膜厚度精度，也正是這種薄膜厚度精度才直接影響到薄膜的使用價值，決定了薄膜的商品價值。

薄膜厚度的控制基於紅外線、x射線、β射線等厚度檢測技術。如申請號為2014201577223的中國專利通過x射線掃描獲得薄膜厚度後，分別採用兩個pid調節器來進行薄膜橫向和縱向厚度的控制。申請號為2007201517097的中國專利也採用了類似的方法，其同時指出，為了得到厚度均勻的薄膜，必須要實現厚度測量值和測量位置精確定位。申請號為2015102638543的中國專利則通過對測得的厚度值與預先設定的厚度值進行對比分析，調節擠出機模頭處的擠出量，來實現擠出複合膜縱向厚度的均勻度調節。

目前bopp薄膜製造的厚度控制多是基於生產線中的離散控制系統來實現的，往往採用傳統的pid控制方式。但是，經過長期操作實踐發現，一方面由於bopp在生產過程中的拉伸並非均勻，使得螺栓定位位置與實際位置之間存在誤差；另外一方面，相鄰螺栓之間存在耦合性，調節單個螺栓將引起其他位置厚度的變化，而且，隨著擠出機使用時間的推移，機構本身的微小變動將加重這些問題。因此，傳統的pid控制難以獲得理想的厚度均勻度。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的在於通過對擠出機模頭唇口開度控制規律的觀察分析，提供一種能利用專家操作經驗的模糊控制器，將被控量本身所對應螺栓及其左右臨近螺栓的厚度偏差組合為數組作為輸入量，經模糊推理計算獲得輸出量並經模頭調節器來對螺檢進行溫度控制，以獲得薄膜厚度的均勻一致。

本發明的技術解決方案是，提供一種以下結構的bopp膜厚均勻度控制器，其包括膜厚圖像拾取模塊、圖像處理模塊和計算與輸出模塊，

所述膜厚圖像拾取模塊捕獲測厚儀輸出的薄膜剖面圖像並轉送到圖像處理模塊，圖像處理模塊分析處理後獲取標記有模頭螺栓位置的薄膜剖面厚度值集合併將該數據集合傳送給計算與輸出模塊，所述計算與輸出模塊對中部螺栓計算其所對應位置的厚度偏差及其左右臨近螺栓所對應位置的厚度偏差均值，經模糊推理計算獲得該螺栓所對應的控制量並經模頭調節器對該螺栓進行溫度控制。

作為優選，所述計算與輸出模塊還包括人機界面，所述界面包括薄膜產品厚度輸入模塊和計算參數輸入模塊。

作為優選，所述測厚儀包括第一測厚儀及第二測厚儀，薄膜原料熔體從擠出機擠出後經冷卻成型單元固化為鑄片，鑄片經拉伸單元拉伸為寬卷薄膜後由收卷單元收存為母卷，所述第一測厚儀及第二測厚儀分別位於拉伸單元兩端對所述鑄片和寬卷薄膜進行厚度監測。

作為優選，所述模糊推理計算以在線推理方式進行，事先根據取值範圍對兩個輸入量一個輸出量定義模糊變量的隸屬度函數，並根據現場操作經驗總結出模糊控制規則庫；然後，周期性進行模糊控制計算，即對本螺栓位置的厚度偏差及其左右臨近螺栓所對應位置的厚度偏差均值，經模糊化接口映射到模糊論域，再由模糊推理機根據模糊關係完成模糊推理，後經解模糊接口將推理機得出的模糊值轉化成實際輸出量。

作為優選，所述模糊推理計算以查詢離線生成的模糊控制表方式進行，事先根據取值範圍對兩個輸入量一個輸出量定義模糊變量的隸屬度函數，並根據現場操作經驗總結出模糊控制規則庫，再根據隸屬度函數和模糊控制規則庫離線計算獲得對應的模糊控制表；然後，周期性進行模糊控制計算，即對本螺栓位置的厚度偏差及其左右臨近螺栓所對應位置的厚度偏差均值，按論域量化後查詢模糊控制表，獲得對應的輸出量。

採用本發明的方案，與現有技術相比，具有以下優點：本發明應用於bopp生產的薄膜厚度控制，實時採集測厚儀的薄膜剖面圖像信號，分析處理得到薄膜的實時厚度參數，通過模糊控制實現了模頭相鄰螺栓之間的解耦，利用了擠出機模頭唇口開度控制的專家經驗，實現了bopp薄膜橫向厚度的均勻穩定，又通過反饋控制實現了其縱向厚度的一致。

附圖說明

圖1為本發明bopp膜厚均勻度控制器及bopp薄膜生產線的結構示意圖；

圖2為薄膜剖面圖像與模頭螺栓對應示意圖；

圖3為本發明中bopp薄膜厚度均勻度控制流程示意圖；

圖4為本發明中bopp薄膜厚度模糊控制流程示意圖；

圖5為本發明中bopp薄膜厚度模糊控制各變量隸屬度函數示意圖；

圖6為本發明中bopp薄膜厚度模糊控制規則表；

圖7為本發明中bopp薄膜厚度模糊控制表。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細描述，但本發明並不僅僅限於這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精神和範圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。

為了使公眾對本發明有徹底的了解，在以下本發明優選實施例中詳細說明了具體的細節，而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。

在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發明。需說明的是，附圖均採用較為簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。

如圖1所示，本發明bopp膜厚均勻度控制器5所在的bopp薄膜生產線，其還包括擠出單元1、冷卻成型單元2、拉伸單元3、測厚單元、收卷單元6，其中擠出單元1包括擠出機7，在擠出機前端有模頭8，拉伸單元3包括縱拉模塊9和橫拉模塊3，測厚單元則包括第一測厚儀401、第二測厚儀402及數顯設備11。本發明bopp膜厚均勻度控制器5包括膜厚圖像拾取模塊12、圖像處理模塊13、計算與輸出模塊14，其中計算與輸出模塊14分別通過模頭調節器15、變頻器16與模頭8和擠出機7相連。

薄膜原料從擠出機7的投料口投入後熔融為熔體從模頭8擠出，再經冷卻成型單元2固化為鑄片，鑄片經拉伸單元3拉伸為寬卷薄膜後由收卷單元6收存為母卷，後續按訂單要求對母卷進行分切和包裝。由於厚度對產品質量起著至關重要的作用，因此，在bopp薄膜生產中往往用兩臺測厚儀分別對鑄片和寬卷薄膜進行厚度實時監測，兩臺測厚儀均連接數顯設備以顯示鑄片或寬卷薄膜的剖面圖像。兩臺測厚儀中前面對鑄片測厚的第一測厚儀401在薄膜初拉出時使用，等到後面第二測厚儀402投入後便暫停使用。

如圖2a所示，在膜厚圖像拾取模塊12從測厚儀採集到的薄膜剖面圖像中，分別有兩幅剖面厚度曲線圖和一些字符信息；其中，a區域表示薄膜厚度曲線橫坐標軸對應的厚度基準值35.5um及曲線畫面中坐標系的縱向坐標刻度值5％；c區域為表述當前薄膜剖面的目標厚度曲線，其坐標軸按a區域的描述進行設定，坐標系中還含有與坐標軸平行的輔助線；b區域中avg＝35.51um是指c區域曲線所顯示的當前薄膜剖面的厚度平均值，r＝2.83％則是曲線上下波動的統計極差值。

結合圖2a和2b所示，所述薄膜剖面厚度曲線在橫向上對應於擠出機模頭螺栓集合。其中，如圖2b所示，下方矩形示意模頭，其內部的三角形為螺栓。bopp薄膜生產在鑄片橫拉過程中，其拉伸比為7-9倍，對於如8280mm的寬卷規格，其鑄片寬度約為1000mm，模頭螺栓為39個時，每個螺栓對應鑄片寬度約為25mm，除去兩端相對較為固定的螺栓，中部每個調節螺栓對應在圖中的寬度範圍約為1/35。從圖中可以看出：

在進行模頭唇口的開度控制時，如果r處的螺栓僅按本處厚度偏差大小進行溫度調節取一個較大輸出值，同時s處也是按本處厚度偏差大小進行控制取一個接近0的值；那麼，由於s處偏差很小，雖然s處本身的控制量很小，但是由於r處螺栓控制量的影響，r處開度將變小並將牽引使得相鄰的s處的唇口變小，從而使得s處的偏差變為負值，且偏差範圍比原值要大，與理想效果不符。

為此，本發明引入實際操作經驗，將這些經驗總結為模糊控制規則，通過模糊控制來調節膜厚的均勻度。而在控制之前，先要通過圖像處理模塊獲取標記有模頭螺栓位置的薄膜剖面厚度值集合併將該數據集合傳送給計算與輸出模塊，從而可以計算獲得各螺栓處的厚度偏差值。

厚度控制過程中，圖像處理模塊要輸出標記有模頭螺栓位置的薄膜剖面厚度值集合，其所依據的薄膜剖面圖像，如圖2a所示，其內容包括：分別以不同顏色表示的一條膜厚曲線、坐標軸和與坐標軸平行的輔助線。

本發明bopp膜厚均勻度控制器中的圖像處理模塊，對剖面圖像進行對邊後獲得模頭螺栓在曲線上的對應位置；同時可以讀取或通過字符識別提取所述薄膜剖面圖像中膜厚曲線的基準厚度值和坐標刻度值，從而可以根據這些數值計算出各螺栓處對應的薄膜厚度，輸出標記有模頭螺栓位置的薄膜剖面厚度值集合。

如圖3所示，基於厚度值集合，本發明bopp膜厚均勻度控制器，通過模糊控制來進行膜厚均勻度的控制，本發明的bopp薄膜厚度均勻度控制流程為：

(l1)在熔體擠出後標記鑄片，鑄片在拉伸前後由測厚儀進行厚度檢測，生成薄膜剖面圖像；

(l2)膜厚圖像拾取模塊從數顯設備採集薄膜剖面圖像後，由圖像處理模塊對該圖像進行處理分析，獲得標記有模頭螺栓位置的薄膜剖面厚度值集合；

(l3)計算與輸出模塊對所述的厚度值集合的每個元素，取第k段數據，將其厚度值與產品厚度預設值進行比較獲得偏差值組合，該值送其內部的模糊控制子模塊進行膜厚均勻度控制，輸出控制量通過模頭調節器調節第k個螺栓加熱波形的佔空比，從而調節本段模頭唇口的開度；

(l4)等待下一周期定時到來，回到步驟l2。

在以上控制過程中，模糊控制子模塊將厚度偏差轉換為溫度補償值，通過模頭調節器以佔空比的方式來控制加熱控制通道上固態繼電器的通斷，從而控制當前模頭螺栓的溫度。由於金屬的熱脹冷縮性質，當加熱器導通時鑄片唇口的縫隙壓縮，這樣鑄片唇口的薄膜厚度會逐漸減小，反之則增加。

計算與輸出模塊還可通過變頻器控制擠出機轉速來調節擠出量，其內部還包括控制縱拉、橫拉及收卷單元中各輥筒的速度與溫度的子模塊，根據生產膜厚按照預設的工藝參數進行調節。

圖4至7給出了模糊控制子模塊的工作原理，其中，如圖4所示為bopp薄膜厚度模糊控制流程，其包括以下步驟：

(m1)參考熟練工人對模頭唇口開度的控制經驗，總結出模糊控制規則庫；通過實驗優化控制參數，包括輸入變量的量化因子和輸出控制量的比例因子，初始化設置；

(m2)從標記有模頭螺栓位置的薄膜剖面厚度值集合中提取第k個螺栓及其左右相鄰螺栓處的厚度偏差值，與產品厚度進行比較，計算基本偏差es和相鄰偏差ea；

(m3)將es和ea分別通過量化因子ks和ka進行量化後再按各自模糊子集的隸屬度函數映射到模糊論域，然後，由模糊推理機根據模糊關係表示的規則庫完成模糊推理，最後經解模糊接口將推理機得出的模糊值轉化成數字量，並乘以比例因子ku後得到控制量ht輸出給模頭調節器。

圖5給出了兩個輸入模糊變量基本偏差es和相鄰偏差ea以及輸出模糊變量ht的各模糊子集隸屬度函數，其中，ex、ea和ht的模糊子集均為7個：{nb、nm、ns、ze、ps、pm、pb}，各模糊子集的隸屬度函數均採用三角形；由於隸屬度函數的形狀越尖銳，控制靈敏度越高，因此，基本偏差es和相鄰偏差ea在零值區域附近的形狀設定得比較陡直。不失一般性，圖5中各模糊變量的論域都歸一化到[-1，1]區間，實際操作中可根據不同的情況來具體調整。

生產過程中，當es為負值時，說明此段模頭唇口開度太小，應該增大開度，調節螺栓要降低溫度，即控制量為負值。

參考專家操作經驗，可以歸納出如圖6所示的29條模糊控制規則，每條規則採用「ifathenb」形式來描述，如：

ifes＝nbandea＝nbornmthenht＝nb。

相鄰偏差可以取當前螺栓左右各一個或各兩個螺栓的偏差均值，模糊推理採用取大-取小(max-min)法，解模糊採用重心法。

作為優選，對螺栓調節時，可以間隔一個進行開度控制，或幾個螺栓為一組。

作為優選，調節幅度可按非均勻分布，通過改變比例因子ku來實現，使得中部螺栓調節量小，兩邊則漸大。

作為優選，為便於計算機實現，模糊控制子模塊還可以採用查詢表的方式。把可能的輸入量都量化到模糊變量論域的元素上，並以輸入論域的元素作為輸入量進行組合，離線通過模糊控制算法求出輸入量論域元素和輸出量論域元素之間關係，計算結果就是查詢表，將該表存儲供在線查詢使用。

如圖7所示為本發明中bopp薄膜厚度模糊控制的查詢表，表中給出了輸入量和輸出量在各離散點上的對應關係。為了方便查詢，不失一般性，其中將基本偏差es和輸出控制量ht的論域設定在[-6，6]區間，而相鄰偏差ea的論域則設定在[-3，3]區間。每個控制周期，將當前es和ea進行量化取整後，直接查詢控制表即可得到控制量。

通過模糊控制，能較好地解決相鄰螺栓間的耦合問題，bopp薄膜厚度的平均偏差可穩定控制在0.02％以內。

除此之外，雖然以上將實施例分開說明和闡述，但涉及部分共通之技術，在本領域普通技術人員看來，可以在實施例之間進行替換和整合，涉及其中一個實施例未明確記載的內容，則可參考有記載的另一個實施例。

以上所述的實施方式，並不構成對該技術方案保護範圍的限定。任何在上述實施方式的精神和原則之內所作的修改、等同替換和改進等，均應包含在該技術方案的保護範圍之內。