CN110667080A - 一种bopp薄膜厚度模糊控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种BOPP薄膜厚度模糊控制系统，内部的监测控制单元中有膜厚数据采集模块、数据处理模块、控制模块、模头调节器和变频器。数据处理模块从采集模块所采集的薄膜厚度信息中提取出标记有模头螺栓位置的薄膜剖面厚度值集合，基于该数值集合，控制模块中的第二控制器根据当前螺栓及其左右临近螺栓位置的厚度偏差，经模糊推理计算出控制量并经模头调节器对该螺栓进行温度控制。基于模头唇口开度控制的专家操作经验，本发明通过模糊控制解决模头相邻螺栓之间的解耦，实现了薄膜横向厚度均匀。

Description

一种BOPP薄膜厚度模糊控制系统

本申请为申请号201710429681.7、申请日2017年05月28日、发明名称“BOPP薄膜厚度模糊控制系统”的分案申请。

技术领域

本发明涉及薄膜制造技术领域，具体涉及一种BOPP薄膜厚度模糊控制系统。

背景技术

BOPP薄膜即双向拉伸聚丙烯薄膜是由双向拉伸所制得的，它是经过物理、化学和机械等手段特殊成型加工而成的塑料产品。BOPP生产线是一个非线性、时变、大延迟的复杂系统。其工艺流程主要包括：原料熔融、挤出、冷却成型、纵向拉伸、横向拉伸、切边、电晕处理、卷取等。

作为BOPP薄膜产品质量指标的物理机械性能如拉伸强度、断裂伸长率、浊度、光泽等，因主要决定于材料本身的属性，所以都易达到要求。而作为再加工性和使用性能的主要控制指标，即薄膜厚度偏差和薄膜平均厚度偏差，则主要决定于薄膜的制造过程。即使制造过程中薄膜厚度控制在在标准允许的偏差范围内，但经数千层膜收卷累计后，厚度偏差大的位置上就可能形成箍、暴筋或凹沟等不良缺陷，这些缺陷直接影响到用户的再加工使用，如彩印套色错位或涂胶不匀起皱等现象，使其降低或失去使用价值，所以BOPP薄膜生产中最关键的质量间题是如何提高和稳定薄膜厚度精度。

薄膜厚度的控制基于红外线、X射线、β射线等厚度检测技术。如申请号为2014201577223的中国专利通过X射线扫描获得薄膜厚度后，分别采用两个PID调节器来进行薄膜横向和纵向厚度的控制。申请号为2007201517097的中国专利也采用了类似的方法，其同时指出，为了得到厚度均匀的薄膜，必须要实现厚度测量值和测量位置精确定位。申请号为2015102638543的中国专利则通过对测得的厚度值与预先设定的厚度值进行对比分析，调节挤出机模头处的挤出量，来实现挤出复合膜纵向厚度的均匀度调节。

目前BOPP薄膜制造的厚度控制多是基于生产线中的离散控制系统来实现的，往往采用传统的PID控制方式。但是，经过长期操作实践发现，一方面由于BOPP在生产过程中的拉伸并非均匀，使得螺栓定位位置与实际位置之间存在误差；另外一方面，相邻螺栓之间存在耦合性，调节单个螺栓将引起其他位置厚度的变化，而且，随着挤出机使用时间的推移，机构本身的微小变动将加重这些问题。因此，传统的PID控制难以获得理想的厚度均匀度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于通过对挤出机模头唇口开度控制规律的观察分析，提供一种能利用专家操作经验的模糊控制系统，将薄膜剖面厚度被控量本身所对应螺栓及其左右临近螺栓的厚度偏差组合为数组作为输入量，经模糊推理计算获得输出量并经模头调节器来对螺栓进行温度控制，以获得薄膜横向厚度的均匀，同时对薄膜纵向厚度进行跟踪和调节。

本发明的技术解决方案是，提供一种以下结构的BOPP薄膜厚度模糊控制系统，其包括挤出单元、冷却成型单元、拉伸单元、测厚单元、监测控制单元和收卷单元，所述挤出单元包括挤出机和模头，所述拉伸单元包括纵拉模块和横拉模块，所述测厚单元对薄膜进行厚度检测，其特征在于：

所述监测控制单元包括膜厚数据采集模块、数据处理模块、控制模块、模头调节器和变频器；所述膜厚数据采集模块采集测厚单元生成的薄膜厚度信息后传送给数据处理模块，所述控制模块接收数据处理模块输出的膜厚数据集，由其内部的第二控制器对螺栓计算其所对应位置的厚度偏差及其左右临近螺栓所对应位置的厚度偏差均值，经模糊推理计算获得该螺栓所对应的控制量并经模头调节器对该螺栓进行温度控制，同时由第一控制器依据所述膜厚数据集跟踪薄膜剖面平均厚度随时间的变化，经PID控制计算获得与挤出机相连的变频器的控制量，通过变频器控制挤出机转速。

作为优选，所述模糊推理计算以在线推理方式进行，事先根据取值范围对两个输入量一个输出量定义模糊变量的隶属度函数，并根据现场操作经验总结出模糊控制规则库；然后，周期性进行模糊控制计算，即对螺栓所在位置的厚度偏差及其左右临近螺栓所对应位置的厚度偏差均值，经模糊化接口映射到模糊论域，再由模糊推理机根据规则库完成模糊推理，后经解模糊接口将推理机得出的模糊值转化成实际输出量。

作为优选，系统还包括一个显示模块，所述测厚单元将薄膜厚度信息生成为薄膜剖面图像后将该图像传送给显示模块并经膜厚数据采集模块转送到数据处理模块；所述薄膜剖面图像包括分别以不同颜色表示的一条膜厚曲线、坐标轴和与坐标轴平行的辅助线；所述数据处理模块输出的膜厚数据集为标记有模头螺栓位置的薄膜剖面厚度值集合。

作为优选，所述显示模块还包括人机界面，所述界面包括薄膜产品厚度输入模块和计算参数输入模块，所述控制模块还与所述冷却成型单元、拉伸单元及收卷单元相连。

作为优选，所述显示模块包括显示器和VGA信号分配器，所述VGA信号分配器从测厚仪接收VGA图像信号并将信号分配给显示器和所述膜厚数据采集模块。

作为优选，所述测厚单元包括第一测厚仪及第二测厚仪，薄膜原料熔体从挤出机挤出后经冷却成型单元固化为铸片，铸片经拉伸单元拉伸为宽卷薄膜后由收卷单元收存为母卷，所述第一测厚仪及第二测厚仪分别位于拉伸单元两端对所述铸片和宽卷薄膜进行厚度检测。

作为优选，所述第二控制器通过模头调节器以占空比的方式来控制模头螺栓固态继电器的通断，从而通过控制螺栓的温度来调节该螺栓所在模头段的开度，以实现该螺栓所对应薄膜区段的厚度调节。

采用本发明的方案，与现有技术相比，具有以下优点：本发明应用于BOPP生产的薄膜厚度控制，实时采集测厚仪的薄膜厚度信息，分析处理得到薄膜的实时厚度参数，通过模糊控制实现了模头相邻螺栓之间的解耦，利用了挤出机模头唇口开度控制的专家经验，实现了BOPP薄膜横向厚度的均匀稳定，又通过反馈控制实现了其纵向厚度的一致。

附图说明

图1为本发明BOPP薄膜厚度模糊控制系统的结构示意图；

图2为膜厚数据采集结构示意图；

图3为薄膜剖面厚度曲线与模头螺栓对应示意图；

图4为数据处理模块的模板匹配流程图；

图5为数据处理模块提取目标曲线数据流程图；

图6为膜厚曲线对比图；

图7为薄膜厚度提取值的统计结果；

图8为薄膜厚度控制流程示意图；

图9为薄膜横向厚度模糊控制流程示意图；

图10为薄膜横向厚度模糊控制规则表。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。

为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本发明BOPP薄膜厚度模糊控制系统包括：挤出单元1、冷却成型单元2、拉伸单元3、测厚单元、监测控制单元5和收卷单元6，其中挤出单元1包括挤出机7，在挤出机前端有模头8，拉伸单元3包括纵拉模块9和横拉模块10，测厚单元则包括第一测厚仪401及第二测厚仪402，监测控制单元5包括膜厚数据采集模块12、数据处理模块13、控制模块14、模头调节器15和变频器16。

薄膜原料从挤出机7的投料口投入后熔融为熔体从模头8挤出，再经冷却成型单元2固化为铸片，铸片经拉伸单元3拉伸为宽卷薄膜后由收卷单元6收存为母卷，后续按订单要求对母卷进行分切和包装。由于厚度对产品质量起着至关重要的作用，因此，在BOPP薄膜生产中往往用两台测厚仪分别对铸片和宽卷薄膜进行厚度实时监测，两台测厚仪均按向外输出厚度数据，同时它们均还连接显示模块以显示铸片或宽卷薄膜的剖面厚度图像。两台测厚仪中前面对铸片测厚的第一测厚仪401在薄膜初拉出时使用，等到后面第二测厚仪402投入后便暂停使用。

结合图1～2所示，作为优选，系统还包括显示模块11。第一测厚仪401及第二测厚仪402均将薄膜厚度信息生成为薄膜剖面图像后将该图像传送给显示模块11并经膜厚数据采集模块12转送到数据处理模块13。作为优选，显示模块11还可以包括两个VGA信号分配器即VGA Splitter 112和113，它们分别将第一测厚仪401、第二测厚仪402发给显示模块11的VGA信号进行分为两路，一路供显示器111使用，一路供膜厚图像拾取单元12采集使用。所述显示器可以为两台独立的显示器或一台显示器分时对两路VGA信号进行显示。

如图3a所示，在膜厚数据采集模块采集到的薄膜剖面图像中，分别有两幅剖面厚度曲线图和一些字符信息；其中，A区域表示薄膜厚度曲线横坐标轴对应的厚度基准值35.5um及曲线画面中坐标系的纵向坐标刻度值5％；C区域为表述当前薄膜剖面的目标厚度曲线，其坐标轴按A区域的描述进行设定，坐标系中还含有与坐标轴平行的辅助线；B区域中AVG＝35.51um是指C区域曲线所显示的当前薄膜剖面的厚度平均值，R＝2.83％则是曲线上下波动的统计极差值。由于薄膜剖面图像有着这些区块特征，因此，本发明BOPP薄膜厚度模糊控制系统在数据处理模块内设置一个预处理单元，其根据所采集的薄膜剖面图像中的颜色特征及区域特征提取第一ROI区域和第二ROI区域；其中，第一ROI区域为A区域和B区域，而第二ROI区域则为C区域。

结合图3a和3b所示，所述薄膜剖面厚度曲线在横向上对应于挤出机模头螺栓集合。其中，如图3b所示，下方矩形示意模头，其内部的三角形为螺栓。BOPP薄膜生产在铸片横拉过程中，其拉伸比为7-9倍，对于如8280mm的宽卷规格，其铸片宽度约为1000mm，模头螺栓为39个时，每个螺栓对应铸片宽度约为25mm，除去两端相对较为固定的螺栓，中部每个调节螺栓对应在图中的宽度范围约为1/35。从图中可以看出：

在进行模头唇口的开度控制时，如果R处的螺栓仅按本处厚度偏差大小进行温度调节取一个较大输出值，同时S处也是按本处厚度偏差大小进行控制取一个接近0的值；那么，由于S处偏差很小，虽然S处本身的控制量很小，但是由于R处螺栓控制量的影响，R处开度将变小并将牵引使得相邻的S处的唇口变小，从而使得S处的偏差变为负值，且偏差范围比原值要大，与理想效果不符。

为此，本发明引入实际操作经验，将这些经验总结为模糊控制规则，通过模糊控制来调节横向膜厚的均匀度。而在控制之前，先要通过数据处理模块获取标记有模头螺栓位置的薄膜剖面厚度值集合并将该数据集合传送控制模块，从而可以计算获得当前薄膜厚度偏差值。

结合图3至图5所示，厚度控制过程中，数据处理模块要输出标记有模头螺栓位置的薄膜剖面厚度值集合，其所依据的薄膜剖面图像，其内容包括：分别以不同颜色表示的一条膜厚曲线、坐标轴和与坐标轴平行的辅助线。对该膜厚曲线，通过测厚仪能设定其基准厚度值、坐标刻度值。

本发明BOPP薄膜厚度模糊控制系统中的数据处理模块，内部包括字符提取子模块和膜厚数据提取子模块，这两个子模块前者读取或通过字符识别从所述薄膜剖面图像中提取图像中膜厚曲线的基准厚度值、坐标刻度值、厚度平均值；后者则基于这些数值，并在从图像中提取出一条连续完整且无交叉的膜厚曲线后，对该曲线上每个点，将其在图像中的像素坐标变换为所对应的厚度值，并根据所述曲线的极值点获得模头螺栓在曲线上的定位。

如图4所示，字符提取子模块首先根据第一ROI区域内可能出现的字符分析构建字符的二值化特征模板库；然后，针对所获取的第一ROI区域，检测分离出单个字符并对其进行且二值化等处理，接着，对每个字符提取特征后进行模板匹配，再对词组进行辨识，获取所述图像中原膜厚曲线的基准厚度值、坐标刻度值、厚度平均值。

如图5所示，膜厚数据提取子模块针对所获取的第二ROI区域即图3a中的C区域，首先对目标图像进行灰度化和滤波处理，再根据颜色分量和坐标特征获取非连续膜厚曲线图像g1和辅助点阵图像g2；其次，进行分层阈值分割，即对两幅图像g1和g2，分别进行Otsu阈值分割和双阈值分割后得到二值化图像g1′和g2′；然后，将g1′和g2′二者相合并生成一条连续完整且无交叉的膜厚曲线图像g；最后，根据所获取的所述基准厚度值、坐标刻度值、厚度平均值，对所生成膜厚曲线上每个点，将其在图像中的像素坐标变换为所对应的厚度值，并通过标记进行螺栓定位，在厚度曲线上标出各螺栓位置。

如图6所示为膜厚曲线对比图，其中，图6a为一条原始厚度曲线与膜厚数据提取子模块所提取曲线的对比图，图6b为图6a的局部放大图。从图中可以看出，所提取曲线与原厚度曲线高度吻合。

图7给出了本发明控制系统对图3所示的薄膜剖面进行实时检测和处理获得的薄膜厚度数据，其中厚度均值与厚度值用来作为后续的控制输入信号，厚度极差值则是一个用作辅助提示的指标。从实际数据与测得数据的相对偏差看，厚度均值相差0.28％，厚度极差值相差1.77％，准确度高，完全满足工程需要，为控制模块提供了实时精确的厚度数据反馈。

如图8所示，基于厚度值集合，本发明BOPP薄膜厚度模糊控制系统，通过模糊控制来进行横向膜厚均匀度的控制，同时还通过PID控制来调节纵向厚度，本发明的BOPP薄膜厚度控制流程为：

(L1)在熔体挤出后标记铸片，铸片在拉伸前后由测厚仪进行厚度检测，生成薄膜剖面图像；

(L2)监测控制单元中的膜厚数据采集模块从测厚仪采集薄膜剖面图像后，由数据处理模块对该图像进行处理分析，获得标记有模头螺栓位置的薄膜剖面厚度值集合；

(L3)对所述的厚度值集合的每个元素，取第k段数据，将其厚度值与产品厚度预设值进行比较获得偏差值组合，该值送第二控制器即控制器2进行膜厚横向均匀度控制，输出控制量通过模头调节器调节第k个螺栓加热波形的占空比，从而调节本段模头唇口的开度；

(L4)对L2中获得的所述厚度值集合，计算本周期内薄膜剖面厚度平均值，将其与产品厚度预设值进行比较获得本周期整体厚度偏差值，该值送第一控制器即控制器1进行PID控制，输出控制量调节变频器，改变挤出机转速，从而调节模头整体单位时间内的挤出流量即挤出速度；

(L5)等待下一周期定时到来，回到步骤L2。

在以上控制过程中，第二控制器将厚度偏差转换为温度补偿值，通过模头调节器以占空比的方式来控制加热控制通道上固态继电器的通断，从而控制当前模头螺栓的温度。由于金属的热胀冷缩性质，当加热器导通时铸片唇口的缝隙压缩，这样铸片唇口的薄膜厚度会逐渐减小，反之则增加。

第一控制器周期性地对横向上薄膜厚度数据取平均值，折算为单位时间挤出量，与产品厚度设定值对应的挤出量相比较，得出挤出量偏差，再转变成电机速度补偿量，通过改变变频器的输入量来控制主挤出机的转速。当电机转速增加时，挤出机模头唇口的熔体流量增加，压力增大，相应铸片及拉伸后的薄膜整体厚度会逐渐增加。

控制模块还包括控制纵拉、横拉及收卷单元中各辊筒的速度与温度的子模块，其根据生产膜厚按照预设的工艺参数进行调节。

如图9所示为第二控制器的薄膜横向厚度模糊控制流程，其包括以下步骤：

(M1)参考熟练工人对模头唇口开度的控制经验，总结出模糊控制规则库；通过离线实验优化控制参数，包括输入变量的量化因子和输出控制量的比例因子，初始化设置；

(M2)从标记有模头螺栓位置的薄膜剖面厚度值集合中提取第k个螺栓及其左右相邻螺栓处的厚度偏差值，与产品厚度进行比较，计算基本偏差es和相邻偏差ea；

(M3)将es和ea分别通过量化因子ks和ka进行量化后再按各自模糊子集的隶属度函数映射到模糊论域，然后，由模糊推理机根据模糊关系表示的规则库完成模糊推理，最后经解模糊接口将推理机得出的模糊值转化成数字量，并乘以比例因子ku后得到控制量ht输出给模头调节器。

膜厚横向均匀度控制所采用的模糊控制中，各模糊子集的隶属度函数均采用三角形；由于隶属度函数的形状越尖锐，控制灵敏度越高，因此，基本偏差ES和相邻偏差EA在零值区域附近的形状设定得比较陡直。

生产过程中，当es为负值时，说明此段模头唇口开度太小，应该增大开度，调节螺栓要降低温度，即控制量为负值。参考专家操作经验，归纳出如图10所示的29条模糊控制规则，每条规则采用“IF A THEN B”形式来描述，如：

IF ES＝NB and EA＝NB or NM THEN HT＝NB。

相邻偏差可以取当前螺栓左右各一个或各两个螺栓的偏差均值，模糊推理采用取大-取小(MAX-MIN)法，解模糊采用重心法。

作为优选，对螺栓调节时，可以间隔一个进行开度控制，或几个螺栓为一组。

作为优选，调节幅度可按非均匀分布，通过改变比例因子来实现，使得中部螺栓调节量小，两边则渐大。

除此之外，虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种BOPP薄膜厚度模糊控制系统，其包括挤出单元、冷却成型单元、拉伸单元、测厚单元、监测控制单元和收卷单元，所述挤出单元包括挤出机和模头，所述拉伸单元包括纵拉模块和横拉模块，所述测厚单元对薄膜进行厚度检测，其特征在于：

所述监测控制单元包括膜厚数据采集模块、数据处理模块、控制模块、模头调节器和变频器；所述膜厚数据采集模块采集测厚单元生成的薄膜厚度信息后传送给数据处理模块，所述控制模块接收数据处理模块输出的膜厚数据集，由其内部的第二控制器对螺栓计算其所对应位置的厚度偏差及其左右临近螺栓所对应位置的厚度偏差均值，经模糊推理计算获得该螺栓所对应的控制量并经模头调节器对该螺栓进行温度控制；

其中，所述模糊推理计算，事先根据取值范围对当前螺栓位置的所述厚度偏差及其左右临近螺栓处的厚度偏差均值这两个输入量、以及一个输出量定义模糊变量的隶属度函数，并根据现场操作经验总结出模糊控制规则库；然后由模糊推理机根据所述规则库完成模糊推理后计算输出量给所述模头调节器。

2.根据权利要求1所述的一种BOPP薄膜厚度模糊控制系统，其特征在于：还包括第一控制器，由所述第一控制器依据所述膜厚数据集跟踪薄膜剖面平均厚度随时间的变化，经PID控制计算获得与挤出机相连的变频器的控制量，通过变频器控制挤出机转速。

3.根据权利要求1所述的一种BOPP薄膜厚度模糊控制系统，其特征在于：所述模糊控制规则库中的规则采用“IF A THEN B”形式来描述，且其中一条规则为：

IF ES＝NB and EA＝NB or NM THEN HT＝NB。

4.根据权利要求1所述的一种BOPP薄膜厚度模糊控制系统，其特征在于：所述临近螺栓取当前螺栓左右各一个或各两个螺栓；所述模糊推理采用取大-取小(MAX-MIN)法；所述计算输出量采用重心法解模糊计算。

5.根据权利要求1所述的一种BOPP薄膜厚度模糊控制系统，其特征在于：所述对螺栓进行温度控制可以间隔一个进行，或几个螺栓为一组进行。

6.根据权利要求5所述的一种BOPP薄膜厚度模糊控制系统，其特征在于：所述控制的调节幅度还可以按非均匀分布，通过改变比例因子来实现，使得中部螺栓调节量小，两边则渐大。

7.根据权利要求1所述的一种BOPP薄膜厚度模糊控制系统，其特征在于：还包括一个显示模块，所述测厚单元将薄膜厚度信息生成为薄膜剖面图像后将该图像传送给显示模块并经膜厚数据采集模块转送到数据处理模块；所述薄膜剖面图像包括分别以不同颜色表示的一条膜厚曲线、坐标轴和与坐标轴平行的辅助线；所述数据处理模块输出的膜厚数据集为标记有模头螺栓位置的薄膜剖面厚度值集合。

8.根据权利要求7所述的一种BOPP薄膜厚度模糊控制系统，其特征在于：所述显示模块还包括人机界面，所述界面包括薄膜产品厚度输入模块和计算参数输入模块，所述控制模块还与所述冷却成型单元、拉伸单元及收卷单元相连。

9.根据权利要求1所述的一种BOPP薄膜厚度模糊控制系统，其特征在于：所述测厚单元包括第一测厚仪及第二测厚仪，薄膜原料熔体从挤出机挤出后经冷却成型单元固化为铸片，铸片经拉伸单元拉伸为宽卷薄膜后由收卷单元收存为母卷，所述第一测厚仪及第二测厚仪分别位于拉伸单元两端对所述铸片和宽卷薄膜进行厚度检测。

10.根据权利要求1所述的一种BOPP薄膜厚度模糊控制系统，其特征在于：所述第二控制器通过模头调节器以占空比的方式来控制模头螺栓固态继电器的通断，从而通过控制螺栓的温度来调节该螺栓所在模头段的开度，以实现该螺栓所对应薄膜区段的厚度调节。

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