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摘要：本文從科普薄膜分切機入手，介紹了這類設備收放卷控制系統(tǒng)編程實現(xiàn)過程的大致思路，并結合實際案例，詳細解析了薄膜分切機收放卷控制系統(tǒng)的編程實現(xiàn)過程（原文摘自微信公眾號：老顧說運控）。

1 什么是薄膜分切機

 薄膜分切機是一臺將一個較大直徑和較寬幅寬的薄膜母卷（大卷），按照生產(chǎn)工藝的需求，分切成2到n多個較窄子卷（小卷）的設備，其長度按需求來定，通常有1分2、1分4、1分6等。如果是1分1，即只有1個子卷，那么，分切機可以看作是復卷機，或可以理解為分切機具有一定的復卷功能。

按照不同的維度，薄膜分切機可以有n多個分類，但對于做運動控制的我，更愿意從系統(tǒng)控制的維度來分。其主要依據(jù)是收卷軸與電機傳動軸之間是否存在打滑來區(qū)分，打滑的稱為滑差軸卷曲，不打滑的稱為中心卷曲。

滑差軸卷曲是依賴滑差環(huán)的摩擦力來傳遞動力，摩擦力的大小通常通過氣壓來調(diào)整。特點是卷曲軸與電機的傳動軸之間存在打滑，收卷軸上可以有多個寬度不一樣的子卷，電機的速度與卷曲軸之間有速差。

中心卷曲通常有通過充氣體來鎖緊卷管的氣脹軸，或通過兩端的特殊機械結構來頂緊卷管，卷管（也稱卷芯）可以是紙芯管或鋼芯。它們有一個共同的特征，卷曲軸與電機的傳動軸之間不存在打滑，收卷軸上只有一個子卷。

2  薄膜分切機的組成

從放卷到收卷，薄膜分切機的主要部分包括：

· 放卷：負責放料，將待分切的薄膜母卷均勻放出；

· 牽引：把薄膜從放卷側向收卷側牽引；對于一些5m以上中、大型的薄膜分切機，有時還會有分牽引，來輔助主牽引來牽引薄膜；
· 收卷：把經(jīng)過切刀分切后的薄膜，按照張力要求收起來。

薄膜分切機除了上面的主要部分外，有些設備還有一些其它部分：

· 放卷糾偏：調(diào)整薄膜橫向位置，通過調(diào)整放卷架的橫向來回移動來完成，糾偏系統(tǒng)一般是做糾偏的廠家提供；

· 平移：隨著卷徑逐漸增大，平移軸會帶動收卷機構向后移動；

· 切刀機構：安裝切刀，將薄膜按縱向方向分切開；

· 收邊：將兩側切下來的廢邊卷起來或氣泵吸走。

為了分析方便，這里主要討論中心卷的收卷和放卷控制的薄膜分切機，有關電池膜常用的滑差軸收卷的薄膜分切機會以后再討論，在此不作分析。

3 收放卷控制

（1）收放卷控制模式

通常薄膜分切機的收放卷控制，有以下的幾種控制模式。

用阻尼器的力矩模式：常用在放卷控制。其實是一種被動的力矩模式，如磁粉離合器，這種模式稱為被動放卷，比較簡單、實用。

間接張力控制模式：常用在收、放卷控制。沒有張力傳感器和浮動輥，讓速度環(huán)飽和，用力矩極限來控制張力。收放卷的直徑通過積分法（或稱弧長法）來計算，電機的力矩由張力設定與半徑乘積部分（設定力矩）、摩擦力矩、加減速力矩（由收放卷的慣量和加速度決定）、錐度（張力隨直徑大而變?。?、補償力矩等，其中補償力矩要視具體材料和設備而定，比如與線速度有關等。

直接張力控制模式：常用在收、放卷控制。需要安裝張力傳感器，能夠直接測量出放卷實際張力值，將之作為PID的實際值，PID的輸出作為補償分量疊加到力矩限幅值。

浮動輥位置控制：常用在收卷控制。通過測量浮動輥的位置來判斷張力是否偏大或偏小，此處要注意，用浮動輥位置測量的方法，實際上并不知道張力的準確的實際值。通常把浮動輥的中間位置作為PID設定值，其實際位置作為PID實際值，PID輸出作為補償分量疊加到力矩限幅值（速度飽和力矩極限），或者純速度控制的附加值。

（2）輔助功能

到長度停車：當收卷的長度達到一定的長度時要減速停車，使得實際收卷的長度與設定的長度相等。

放卷直徑停車：當放卷的直徑達到一定的直徑時要減速停車，使得停下來的實際直徑與設定的直徑相等。

斷料停車：工作過程中，當出現(xiàn)斷料時，要求快速停車，避免大的損失，同時保護機械設備，另外，斷料后的重新穿料也是很“頭疼”的事情。

4 薄膜分切機從0到1的標準化實現(xiàn)思路

從標準化的視角出發(fā)，可以從不同的維度來拆解和分析薄膜分切機，以完成從0到1的實現(xiàn)過程。為了可復制性和不斷的迭代，必須遵循一定的標準化，這里基于西門子的Automation Framwork，加上一些“機器”的特征和自己的理解，實現(xiàn)的思路不一定是最佳的，也不一定非常完善，但它能代表我的思路，不代表官方，僅供參考。

為了簡單的能夠說明問題，本文舉例的薄膜分切機有以下特征：

· 薄膜的最大幅寬為2 . 5m，收放卷的機械類型為中心卷；

· 一分四，即一個母卷分切成四個小卷；

· 軸的組成：牽引x1軸、放卷軸x1、收卷軸x4，不考慮平移、收邊、糾偏、分切刀等部分；

· 放卷側安裝了張力傳感器，用來檢測放卷的實際張力；收卷側沒有任何檢測傳感器，4個收卷全部是間接張力控制。

從0到1實現(xiàn)對樣機的開發(fā)，把整個開發(fā)思路分解為“3+3+2”部分，即3個主要，3個輔助，以及2個拓展。

3個主要部分為：工藝及硬件分解、應用及功能、控制模式及設備狀態(tài)。

3個輔助部分為：輔助控制、人機界面HMI、故障診斷。

2個拓展部分為：智能調(diào)試、預測性維護。

（1）3個主要部分

①結合工藝和硬件分解：是指從工藝和硬件的維度，將整個設備進行二次分解。

第1次分解為設備單元（EM）：是把整個設備分成幾個獨立的單元，或工藝段。主要是基于硬件和工藝相結合的原則來劃分，本設備分為四個獨立單元，分別為：放卷單元、主牽引單元、收卷單元、其它單元。

第2次分解為控制單元（CM）：將每個設備單元進一步分解成更小的控制單元。放卷單元細分為放卷軸和卷芯鎖緊氣閥等，主牽引單元細分為主牽引軸和氣動抱閘，收卷單元細分為收卷軸和卷芯頂緊氣閥等等。

②應用及功能：是指上面拆分的EM和CM所對應的應用及功能塊（Applications and Function Blocks）
從控制單元維度：軸的使能、點動、停止、回零等，氣閥的開啟和關閉等。

從設備單元維度：直徑計算、慣量計算、加減速力矩、摩擦力矩、錐度曲線、PID、力矩極限計算、長度到達、直徑到達、斷料檢測等。
從信號流耦合的維度：建立位置虛軸，將虛軸的速度指令，直接傳遞給放卷、主牽引和收卷。

③控制模式及設備狀態(tài)：是指整個設備的控制模式，以及其所處的工作狀態(tài)。

控制模式：手動、生產(chǎn)、模擬。

設備狀態(tài)：空閑、準備、加速、減速、勻速、停止（正常停/快停/急停）、故障。

（2）3個輔助部分

①設備的輔助控制：是指設備的一些輔助或外圍控制，如：總氣閥、吹廢料、指示燈、各單元的狀態(tài)信號檢查等。

②人機界面HMI：處理PLC與HMI交換的信息。

③故障處理：對于常見的故障報警，給出一些具體的解決方案，這樣方便操作工快速解決問題。同時，需要操作工和調(diào)試工程師一起持續(xù)更新并不斷豐富故障處理數(shù)據(jù)庫。

（3）2個拓展部分

①智能調(diào)試的探索：借助HMI，利用操作工與人的信息交互，step by step 完成對設備的調(diào)試。

②預測性維護的探索：在設備運行過程中，采集適當?shù)膭討B(tài)數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)模型的分析，解析出設備可能存在的隱患，及時給出應對的策略或告知操作工，提前做好防范措施。

通過上面的拆解和分析，梳理出對整個設備的知識點及關鍵信息，非常方便接下來的編程和調(diào)試，下面重點介紹如何實現(xiàn)。

5 收放卷案例：薄膜分切機的編程實現(xiàn)過程解析

對于技術路線的學習、研究、創(chuàng)新、實施，應盡可能遵循事物本身發(fā)展規(guī)律來思考。對于機器，首先應考慮它的要求和KPI，然后考慮它的工藝，再考慮如何做，最后是考慮這種方法是否有創(chuàng)新點和前瞻性。在整個過程中，要充分考慮市場側，并時刻問自己：這種編程思路和解決方案在市場上有競爭力嗎？市場上70%以上的客戶樂意接受嗎？有引領市場的可能嗎？ 因為我堅信一點：如果你的解決方案，市場不認可、不接受，即使你認為再好，但也很難有發(fā)現(xiàn)前途，至少短期很難有?；谝陨系挠^點，這里介紹一下薄膜分切機的編程實現(xiàn)過程，下面是大致的思路，在實戰(zhàn)過程中，可能需要做適當?shù)男薷?。這些僅代表我個人觀點，供大家參考，也希望非專業(yè)人士能夠看明白設備程序是如何編寫的。

（1）分切機的要求和KPI

其實這是編程時最需要考慮的地方，可以說是重中之重，是“頭等大事”，可是經(jīng)常被人忽視！對于分切機來說，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

①最基本的要求

正常連續(xù)生產(chǎn)，盡可能不出現(xiàn)故障報警，即使出現(xiàn)，需要盡快解決。

②KPI要求

最高速600m/min，收卷端面平整、整齊，張力精度誤差誤±2N，尤其在加減速過程中的，張力不能波動過大。

③功能要求

· 正常生產(chǎn)加減速時間40s-120s可調(diào)，快停時間為10s，急停5s；

· 有手動、自動（正常生產(chǎn)）、模擬工作模式；

· 收卷到長度停車，放卷到直徑停車，有快停、急停、斷料自動停車等。

④其它輔助功能

（2）工藝

工藝部分非常關鍵，它告訴你機器是如何工作的，了解和研究設備工藝，是編程構思的第一步，通常包含整體和局部兩個方面：
整體：把機器看作是一個整體，根據(jù)設備前后的工藝，按照“進”和“出”，把設備整體串起來。薄膜分切機是按照薄膜從放卷到收卷的工藝，把設備串起來，放卷、牽引、縱切、收卷（平移及收邊等）。整個運行過程中，張力控制平穩(wěn)。

局部 ：按設備拆解的EM和CM,研究各部分的應用（Application）和功能。放卷側要求閉環(huán)張力控制，主牽引要求在運行過程中速度平穩(wěn)，收卷側要求間接張力控制。

（3）如何做

其實就是將“整體與局部”有機結合起來，共同完成設備的要求和KPI。

信號流：我一直強調(diào)信號流的重要性，它是貫穿整個設備的信號，是連接各設備單元的樞紐，包括模擬量和數(shù)字量兩部分。對于分切機來說，模擬量包括速度和張力，虛軸作為主軸，用速度信號將部件貫穿起來；數(shù)字量主要是使能、建張、手動、生產(chǎn)、模擬、加速、減速、勻速等。通過這些信號，就能夠把放卷、牽引、收卷完成看作一個整體，實現(xiàn)對機器的加速、減速、勻速等控制。

設備單元和控制單元：對于每個設備單元和控制單元，都有自己的控制邏輯及功能。對于分切機來說，牽引就是速度控制，速度設定來自虛軸；放卷利用PID實現(xiàn)卷曲的閉環(huán)張力控制；收卷是速度控制力矩極限的間接張力控制。卷曲的直徑計算、摩擦力矩補償、加減速力矩補償?shù)乃悸肥且恢碌模梢怨灿孟嗤墓δ軌K。

（4）創(chuàng)新及前瞻性

中國生產(chǎn)薄膜分切機已經(jīng)近30年，感覺除了控制器、驅動器、電機、HMI操作屏等電氣產(chǎn)品在不斷更新，其它的KPI和功能更新太慢，幾乎沒有太多的創(chuàng)新。在全球“AI熱”的年代，我覺得大數(shù)據(jù)和AI應該能夠幫助分切機實現(xiàn)一些技術的突破，比如：智能調(diào)試的探索，預測性維護等。

經(jīng)常有人私信問我，希望能夠得到一些實例參考，或一些標準的功能塊。其實大家可以下載德國的標準功能塊，這也是市場上絕大多數(shù)人正在使用的功能塊。我相信很多廠家都有類似的功能塊，其實原理都一樣。我也有一些卷曲功能塊，簡單、實用、很“接地氣”，但都不太標準化，目前我正在修改，使之成為標準功能塊，修改完成并測試通過后，如果大家感興趣，我可以告訴各位下載地址。