BOPP膜厚均匀度控制方法与流程

本发明涉及薄膜制造技术领域，具体涉及一种bopp膜厚均匀度控制方法。

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，也正是这种薄膜厚度精度才直接影响到薄膜的使用价值，决定了薄膜的商品价值。

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。

技术实现要素：

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方法，将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，以获得薄膜厚度的均匀一致。

本发明的技术解决方案是，提供一种bopp膜厚均匀度控制方法，其包括如下步骤：

a)采集薄膜厚度，获取从薄膜测厚仪输出的薄膜剖面图像；

b)基于所述剖面图像获取一条膜厚曲线，分析提取膜厚曲线上挤出机模头各螺栓位置对应的厚度值；

c)对中部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。

作为优选，还包括以下步骤：初始化时通过操作面板输入薄膜产品厚度设定值以及计算的初始参数值。

作为优选，所述测厚仪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监测。

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，即对本螺栓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模糊关系完成模糊推理，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，所述模糊推理计算以查询离线生成的模糊控制表方式进行，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，再根据隶属度函数和模糊控制规则库离线计算获得对应的模糊控制表；然后，周期性进行模糊控制计算，即对本螺栓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，按论域量化后查询模糊控制表，获得对应的输出量。

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剖面图像信号，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为应用了本发明bopp膜厚均匀度控制方法的bopp薄膜生产线的结构示意图；

图2为薄膜剖面图像与模头螺栓对应示意图；

图3为bopp薄膜厚度均匀度控制流程示意图；

图4为bopp薄膜厚度模糊控制流程示意图；

图5为bopp薄膜厚度模糊控制各变量隶属度函数示意图；

图6为bopp薄膜厚度模糊控制规则表；

图7为bopp薄膜厚度模糊控制表。

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，应用了本发明bopp膜厚均匀度控制方法的bopp薄膜生产线，其还包括挤出单元1、冷却成型单元2、拉伸单元3、测厚单元、控制器5、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3，测厚单元则包括第一测厚仪401、第二测厚仪402及数显设备11。应用了本发明bopp膜厚均匀度控制方法的控制器5包括膜厚图像拾取模块12、图像处理模块13、计算与输出模块14，其中计算与输出模块14分别通过模头调节器15、变频器16与模头8和挤出机7相连。

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，两台测厚仪均连接数显设备以显示铸片或宽卷薄膜的剖面图像。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。

如图2a所示，在膜厚图像拾取模块12从测厚仪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。

结合图2a和2b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2b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膜厚的均匀度。而在控制之前，先要通过图像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给计算与输出模块，从而可以计算获得各螺栓处的厚度偏差值。

厚度控制过程中，图像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，如图2a所示，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。

本发明bopp膜厚均匀度控制方法，对剖面图像进行对边后获得模头螺栓在曲线上的对应位置；同时可以读取或通过字符识别提取所述薄膜剖面图像中膜厚曲线的基准厚度值和坐标刻度值，从而可以根据这些数值计算出各螺栓处对应的薄膜厚度，输出标记有模头螺栓位置的薄膜剖面厚度值集合。

如图3所示，基于厚度值集合，本发明bopp膜厚均匀度控制方法，通过模糊控制来进行膜厚均匀度的控制，本发明的bopp薄膜厚度均匀度控制流程为：

(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)膜厚图像拾取模块从数显设备采集薄膜剖面图像后，由图像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)计算与输出模块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，该值送其内部的模糊控制子模块进行膜厚均匀度控制，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)等待下一周期定时到来，回到步骤l2。

在以上控制过程中，模糊控制子模块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。

计算与输出模块还可通过变频器控制挤出机转速来调节挤出量，其内部还包括控制纵拉、横拉及收卷单元中各辊筒的速度与温度的子模块，根据生产膜厚按照预设的工艺参数进行调节。

图4至7给出了模糊控制子模块的工作原理，其中，如图4所示为bopp薄膜厚度模糊控制流程，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。

图5给出了两个输入模糊变量基本偏差es和相邻偏差ea以及输出模糊变量ht的各模糊子集隶属度函数，其中，ex、ea和ht的模糊子集均为7个：{nb、nm、ns、ze、ps、pm、pb}，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。不失一般性，图5中各模糊变量的论域都归一化到[-1，1]区间，实际操作中可根据不同的情况来具体调整。

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，可以归纳出如图6所示的29条模糊控制规则，每条规则采用“ifathenb”形式来描述，如：

ifes＝nbandea＝nbornmthenht＝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ku来实现，使得中部螺栓调节量小，两边则渐大。

作为优选，为便于计算机实现，模糊控制子模块还可以采用查询表的方式。把可能的输入量都量化到模糊变量论域的元素上，并以输入论域的元素作为输入量进行组合，离线通过模糊控制算法求出输入量论域元素和输出量论域元素之间关系，计算结果就是查询表，将该表存储供在线查询使用。

如图7所示为本发明中bopp薄膜厚度模糊控制的查询表，表中给出了输入量和输出量在各离散点上的对应关系。为了方便查询，不失一般性，其中将基本偏差es和输出控制量ht的论域设定在[-6，6]区间，而相邻偏差ea的论域则设定在[-3，3]区间。每个控制周期，将当前es和ea进行量化取整后，直接查询控制表即可得到控制量。

通过模糊控制，能较好地解决相邻螺栓间的耦合问题，bopp薄膜厚度的平均偏差可稳定控制在0.02％以内。

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。