فن وعلم التحكم في التوتر: حول السر الأساسي للتشغيل المستقر لآلة تقطيع الأفلام

في صناعة معالجة الأفلام، تُعد آلة التقطيع معدةً أساسيةً لقطع اللفائف الرئيسية كبيرة العرض وكبيرة القطر إلى لفات متعددة من المنتجات النهائية ذات القطر الضيق والصغير. تُحدد جودة تشغيلها القيمة النهائية للمنتج مباشرةً. ومن بين جميع التقنيات الأساسية لهذه الآلة الدقيقة، يُعد التحكم في الشد جوهرها بلا شك. إنها علمٌ متطورٌ يتطلب حساباتٍ واستجابةً دقيقة، كما أنها فنٌّ دقيقٌ يتطلب خبرةً واسعةً وضبطًا للحدس. إن إتقان سرها الأساسي يُعادل امتلاك مفتاح التشغيل المستقر لآلة التقطيع.

1. العلوم: الأساس الصارم للتحكم في التوتر

يتجلى "علم" التحكم في التوتر في خصائصه القابلة للقياس الكمي والنمذجة والأتمتة. وهو الضمان المادي لاستقرار تشغيل النظام.

1. المبادئ الأساسية: قانون هوك وعزم القصور الذاتي

الشد في جوهره قوة مرنة. تتبع الأغشية قانون هوك (F = k·x) عند شدها، إلا أن أدائها أكثر تعقيدًا، إذ يتضمن عوامل مثل معامل المرونة، وعرض المادة، وسمكها. في الوقت نفسه، لكل بكرة وبكرة في آلة التقطيع عزم قصور ذاتي (I). عند بدء التشغيل، والتسارع، والتباطؤ، والتوقف، تتداخل قوى القصور الذاتي بشدة مع الشد. يكمن جوهر التحكم العلمي في التغلب على هذه التداخلات الفيزيائية من خلال الحسابات والتعويضات الآنية، بحيث يبقى الشد (F) على الغشاء ثابتًا في جميع الأوقات.

2. تكوين النظام: الإدراك، اتخاذ القرار، التنفيذ

يتكون نظام التحكم في التوتر ذو الحلقة المغلقة الكلاسيكي من ثلاثة أجزاء:

وحدة استشعار (كشف الشد): عادةً ما تكون مستشعر شد (من نوع مقياس الضغط المغناطيسي أو مقياس الانفعال) أو مقياس جهد الأسطوانة العائمة. يقيس الأول قيمة الشد الفعلية بدقة وبشكل مباشر؛ بينما يعكس الثاني تغير الشد بشكل غير مباشر من خلال اكتشاف موضع الأسطوانة العائمة، التي تتمتع بدورها بتأثير تخفيف وتخميد معين.

وحدة القرار (عقل التحكم): جوهرها وحدة تحكم شد PLC أو وحدة تحكم شد مخصصة. تستقبل هذه الوحدة إشارة تغذية راجعة من وحدة الاستشعار، وتقارنها بقيمة شد مستهدفة محددة مسبقًا، ثم تحسب مقدار التصحيح بناءً على خوارزمية التحكم PID المدمجة (التناسبي - التكاملي - التفاضلي). يُعد ضبط معلمات PID (P، I، D) جوهر العلم، إذ يتطلب تطابقًا دقيقًا بين خصائص المواد وسرعة استجابة الأنظمة الميكانيكية.

• المُشغِّل (مأخذ القدرة): عادةً ما يُشغِّل مُحوِّل تردد محرك تيار متردد، أو مُحرِّك سيرفو، أو فرامل/قابض جسيمات/هستيريسيس. تتلقى هذه المحركات أوامر من وحدة التحكم للتحكم بدقة في عزم كبح عمود فك اللف، أو عزم دوران عمود إعادة اللف، أو السرعة الخطية لأسطوانة الجر، مما يسمح بضبط الشد بدقة.

3. وضع التحكم:

• التحكم في عزم الدوران مفتوح الحلقة: يحسب ويتحكم في عزم دوران خرج المحرك (T = F × R) وفقًا لتغير قطر الملف. الحساب بسيط، ولكنه لا يحتوي على أي تغذية راجعة، وقدرته على مقاومة التداخل ضعيفة، ودقته منخفضة.

• تحكم مباشر في الشد بحلقة مغلقة: ضبط آني باستخدام تغذية راجعة مباشرة من مستشعر الشد. أعلى دقة تحكم قياسية في ماكينات التقطيع المتطورة.

• التحكم غير المباشر في الشد بحلقة مغلقة (التحكم بالأسطوانة العائمة): يُثبّت الشد بشكل غير مباشر عن طريق التحكم في موضع الأسطوانة العائمة. يتميز هذا النظام بانخفاض تكلفته وثباته الجيد، وهو مناسب لمعظم سيناريوهات التقطيع التقليدية.

2. الفن: الحكمة المرنة في التحكم في التوتر

إذا كان العلم هو الهيكل العظمي، فالفن هو لحم ودم. يتجلى "فن" التحكم في التوتر في الفهم التجريبي والتوازنات الدقيقة بين متغيرات لا حصر لها.

1. تفسير "طبيعة" المادة:

تختلف خصائص مواد الأغشية المختلفة اختلافًا كبيرًا. يتميز البولي إيثيلين تيرفثالات (PET) بقوة عالية وقوة سحب منخفضة، مما يتطلب شدًا أكثر استقرارًا ودقة؛ بينما يتميز البولي إيثيلين (PE) والبولي بروبيلين (PP) بقوة سحب عالية، وقد يؤدي الشد المفرط بسهولة إلى تشوه الشد؛ أما البولي بروبيلين المصبوب (CPP) ورقائق الألومنيوم، وغيرها، فهي شديدة التجعد وتتطلب شدًا منخفضًا ومتساويًا للغاية. يمكن للخبراء الحكم مبدئيًا على مدى ملاءمة الشد بناءً على ملمس المادة وصوتها، وهو حدس تراكمي على مدى فترة طويلة من الخبرة.

2. استخدام التوتر المخروطي:

هذا هو جوهر عملية اللف. مع زيادة قطر اللف (R)، يزداد الضغط على القلب بشكل كبير إذا استمر الشد (F) (P = F / (2πR²))، مما ينتج عنه:

• ضيق من الداخل وفضفاض من الخارج: يتم ضغط اللب بشدة، مما يشكل طيات على شكل "أقحوان" أو "نجمة".

• التدحرج: حواف لفة الفيلم غير متساوية.

• غير قادر على الفك: لفافة الفيلم صلبة كالحجر، وحتى أنها تسحق القلب.

يُعدّ التحكم في شدّ التفرع الحل الأمثل لهذه المشكلة. فهو يسمح بانخفاض شدّ اللفّ تدريجيًا وفقًا لمنحنى مُحدّد (خطّي، تربيعي، إلخ) مع زيادة قطر الملف. يكمن الإبداع في اختيار منحنيات التفرع ونقاط البداية والنهاية.

• ضبط معدل التدرج: النطاق الشائع هو ١٠٪ - ٥٠٪. كلما كانت المادة أكثر ليونة وعرضة للتشوه (مثل البولي إيثيلين)، زاد معدل التدرج. كلما كانت المادة أكثر صلابة (مثل البولي إيثيلين تيرفثالات)، قلّت نسبة التدرج.

الخبرة والتجريب: لا توجد صيغة واحدة تناسب الجميع. يجب تحديد أفضل منحنى تفتق من خلال اختبارات متعددة، وقطع ملف الفيلم لمراقبة ظروف الطبقات الداخلية، والسعي إلى شكل اللف المثالي "مشدود من الخارج وفضفاض من الداخل".

3. الضبط الدقيق للعمليات الديناميكية:

• تعويض التسارع: خلال مرحلتي بدء التشغيل وزيادة السرعة، قد يُسبب قصور النظام ارتفاعًا مفاجئًا في الشد. يكمن الحل في توقع هذه الصدمة وتطبيق تعويض عكسي مُسبقًا (مثلًا، لإعطاء محرك فك اللفة دفعةً قصيرة) لتسهيل عملية الانتقال.

الاستجابة لحظة استلام المادة: عند توصيل الأسطوانتين القديمة والجديدة، سيتعرض نظام الشد لاضطراب كبير. وتُعد كيفية تهدئة التذبذبات بسرعة واستعادة الاستقرار اختبارًا لخوارزمية وحدة التحكم وقدرة المُشغّل على التنبؤ.

3. السر الأساسي: دمج العلم والفن

لتحقيق التشغيل المستقر النهائي لآلة التقطيع، من الضروري دمج العلم والفن بشكل مثالي.

١. معايرة النظام بدقة شرط أساسي: لضمان دقة نقطة الصفر ونطاق مستشعر الشد، ومُشفِّر السرعة، وأسطوانة الأسطوانة العائمة. هذا هو أساس جميع الحسابات العلمية.

2. ضبط معلمات "الصلبة والناعمة":

◦ المقياس (P): يُحدد سرعة استجابة النظام. إذا كانت قيمة P كبيرة جدًا، يكون النظام سهل التذبذب (شديد جدًا)، وإذا كانت صغيرة جدًا، تكون الاستجابة بطيئة (ضعيفة جدًا).

التكامل (I): يزيل الأخطاء الثابتة. إذا كانت قيمة التكامل (I) مرتفعة جدًا، فسيؤدي ذلك إلى تذبذب زائد.

◦ تفاضلي (D): يتنبأ بالاتجاه ويكبح التذبذبات. ولكنه حساس للضوضاء.

يكمن الفن في إيجاد مجموعة من معلمات PID تستجيب بسرعة وسلاسة لقمع الاضطرابات في مواد مختلفة (مثل الجافية والمرنة). وهذا غالبًا ما يتطلب التجربة والخطأ والخبرة العميقة.

3. التعويض النشط لقطر الملف بالكامل: سيقوم النظام المتقدم بحساب التغيير في قطر الملف في الوقت الفعلي، والتعويض بشكل نشط عن تأثير تغيير لحظة القصور الذاتي الناجم عن أسطوانة فك/إعادة اللف، بدلاً من انتظار تقلب التوتر قبل التصحيح، لتحقيق التحكم النشط في "مقاومة العدو خارج البلاد".

٤. الصيانة الميكانيكية الجيدة هي الأساس: مهما كانت جودة نظام التحكم، فإنه يحتاج أيضًا إلى أساس ميكانيكي متين. توازي البكرات وانحناءها، ونعومة المحامل، وارتداد نظام النقل، وما إلى ذلك، وأي مشاكل ميكانيكية ستؤثر بشكل مباشر على استقرار الشد.

خاتمة

إن التحكم في شد آلة تقطيع الأفلام ليس مجرد "شد" أو "استرخاء" بأي حال من الأحوال، بل هو نظام بيئي متوازن ديناميكيًا.

• يوفر العلم أدوات قوية: أجهزة استشعار عالية الدقة، وأجهزة تحكم منطقية قابلة للبرمجة عالية السرعة، ونماذج خوارزمية متقدمة، والتي تشكل "الدماغ والأعصاب" للنظام.

• يمنح الفن روح النظام: فهو الفهم العميق للمهندس لخصائص المواد، وإبداع منحنى التوتر المخروطي، والفهم الدقيق لمعلمات PID.

يكمن السر الجوهري الحقيقي في توظيف التفكير الفني والخبرة لتحقيق التناغم والتحسين استنادًا إلى الأدوات والمبادئ العلمية، مما يُمكّن آلات الفولاذ البارد من التحكم بدقة وثبات في الأغشية الرقيقة الرقيقة، وتحقيق التحول المذهل من المواد الخام إلى منتجات نهائية عالية الجودة. فقط بإتقان هذه الطريقة، يُمكن التحكم في آلة التقطيع، وجعلها سلسة، ومستقرة، وإنتاج لفات أغشية مثالية.