塑料挤出生产线集散控制系统的研究

随着塑料挤出加工工业在国内的快速发展，挤出生产过程中电控方面存在的问题越来越突出。这些问题表现在下述4个方面：①传统的继电器控制。由于继电器系统接线复杂，故障诊断与排除困难，而且机械方式实现的触点控制易被电弧烧坏导致接触不良和反应速度慢；在线路中，继电器的控制功能被固定下来，功能单一、灵活性差等。②分列仪表温度控制。以温控表为主的分离元件控制具有价格低、配置简便的优点，但在控制功能上受到许多限制，这主要体现在控制点数少、维修保养难、控制精度低，特别在控制点数比较多时，控制柜显得特别庞大，除非扩大控制柜，但这样又给统一设定、监控和进行实时操作带来困难，而且各温控表的数据不能统一管理，进行自动归档，打印等。③电位器电机调速控制。传统电机调速靠电位器改变电机线圈中的电流来控制电机转速，当由若干个电位器（分本地控制和远程控制）控制一台电机时，会导致控制标准不统一、可能本地电位器已使电机转速调到最大值，而远程电位器工位仍处于零位置，无法调低电机转速。当出现突发事件时，无法远程控制电机转速。④计量加料控制。国内挤出机辅机自动化水平还很低，尤其在称重和自动上料方面表现得特别突出。目前主要是人为监视，人工上料，对生产线的生产率无法控制，也无法用一个准确的度量标准来衡量，这些都限制了生产线的生产率，同时增加了员工的工作量和影响制品的品质及产量。 因此，当务之急就是对这些生产线进行技术改造，以提高企业的设备利用率，提高产品品质和质量。 PLC是上个世纪80年代发展起来的一种新型电器控制设备，它将传统的继电器控制技术和计算机控制技术融为一体。随着4C（Computer、Communication、Control、CRT）技术和IT技术的发展，PLC正以通用性、功能强、完善的故障自诊断能力、可靠性高、柔性强、体积小及成本低等优点被广泛应用于工业生产过程。因此为有效解决以上问题提供了思路。从经济性和实用性出发，开发了塑料挤出生产集散控制系统。此系统具有配置简单、操作方便、功能强大，扩展灵活和适应性强等特点。 1 集散控制系统 1.1电气控制要求 （1）整个生产线定时开关机。塑料挤出生产之前，设备的预热准备时间有2个多小时，才能使机筒各段温度加热均匀。为了提高生产效率，在无人开机的情况下，设备按提前设定的开机时间启动，到工作时，设备自动准备就绪，随时启动生产。 （2）机筒各段加热温、度可以调节。为了能保证温度达到设定工艺温度，上下偏差1℃，所以各段温度实现PID控制。 （3）主副电机调速。为能对螺杆转速和牵引转速等进行微调，应实现点动控制。 （4）实现快速停车，主电机采用反接制动。 （5）有过载和短路保护。任一台电机过载，所有电机均不能工作。 （6）计量加料。实时计算生产线的生产量和监控料斗中物料的质量，达到设定限度时，自动上料或停止上料。 （7）有急停按钮，防止启动或运动时有突发事件的发生。 （8）各工作状态有相应的指示灯指示和警鸣。 1.2集散控制系统的组成及工作原理 整个集散控制系统包括：PLC系统、人机界面、远程终端、时间读取和设定、温度PID控制、电机驱动控制和计量加料控制等。 塑料挤出生产线集散控制系统通过智能仪表（传感器）对生产线各段的温度，各电机转速，料斗内的物料的质量等模拟量及各种开关位置等数字量进行自动检测，并将检测结果上传给下位机PLC，经数据计算处理后，送至各执行机构实行相应操作；同时PLC通过OPC接口技术将数据上传给上位机人机界面，完成系统操作，显示生产线各设备的运行参数和状态，异常处理（包括保护、报警等）以及可以打印输出各相关操作记录、历史记录及报警记录等。 为了实现塑料挤出生产线在线实时数据远程监控，通过另一台在中控室的远程终端监控机采用Web网技术，将现场上位机的实时数据传送到远程终端中，同时远程终端根据用户权限进行不同级别的参数设定和监控。其控制原理如图1所示。 2 集散控制系统硬件设计 根据塑料挤出生产线的操作和控制要求，控制系统选用西门子S7-200系列CPU226和CPU224PLC及热电偶模拟量扩展模块EM231、普通模拟量扩展模块EM231和EM235。本系统I/O设计需要开关量输入点30点、开关量输出点46点、模拟量输入点35点和模拟量输出点6点，共计117点。其硬件配置如图2所示。 3 集散控制系统的软件设计 3.1 PLC软件设计 根据塑料挤出生产线的工作流程要求，确定各动作的先后顺序和相互关系，画出流程图，再由PLC输入输出逻辑关系编写梯形图。 温度控制子程序通过PLC的PID功能块，调制方波脉冲串信号及中断程序来实现闭环控制，同时建立变量表，用于PID参数自整定和修改。其PID算法和离散化处理原理简单可行，固定周期不同占空比方波脉冲串信号、中断及与PID输出同步能达到要求精度。 电机驱动控制子程序，通过PLC的时钟模块和计数模块来编译斜坡函数和点动控制，完成电机调速控制。 计量加料控制子程序，通过PLC的数据转换模块、数学运算指令及硬件模拟量通道口的滤波组态来编译控制程序，完成自动上料控制和产量计算。 通信子程序，通过PLC的网络读写命令，完成对主从控制单元参数、变量的读写。 定时开关机控制子程序，通过PLC的读写系统时钟模块和逻辑与或指令，将存储在T时间缓冲区开始的8字节时间采出，进行定时开关条件设定编译，完成定时开关生产线。 其部分程序流程图如图3、图4、图5、图6和图7。 3.2界面软件设计 上位机采用Windows2000操作系统，用西门子的WinCC组态软件开发设计人机界面和监控程序。操作人员可在本地人机界面一的薄膜键盘和硬件开关上，向下位机发出各种控制命令。同时程序完成从主从控制单元实时采集，处理模拟量、开关量、报警数据和操作数据；定时归档历史数据；实时记录、故障及开关变化信息；对操作人员所作的操作进行记载和输出打印。操作人员可在图8所示的控制面板上对塑料挤出生产线各段温度、主电机转速、扭矩、机筒压力及辅机部分的牵引速度，卷取等进行监视。根据加工条件的不同以不同级别用户权限登陆到其它设定界面进行工艺参数的修改或设定。 另外，通过WinCC组态软件中集成的Navigator远程监控设备包，就可方便地配置本地的上位机成为一台数据共享服务器。利用TCP/IP协议和Web网技术，远程终端通过打开IE浏览器，键入服务器地址、用户名和密码登陆服务器，不需安装组态软件，就可以在线权限监控整个塑料挤出生产线的运行状态。 4 结束语 可编程控制器（PLC）和计算机（PC）的联合应用简化了现场操作，提高了控制精度、人机界面的灵活性及制品的品质和产量，同时也提高了控制系统的稳定性和安全性，具有广阔的应用前景。此系统与一般的塑料挤出生产线控制系统相比，有以下特点： （1）系统监控功能。采用组态的人机界面，是一种自行设计的多功能紧凑型带薄膜键盘的PLC网络连接，形成一目了然的形象化的流程界面，并进行动态显示工作进度。通过TCP/IP网络适配器可实现远程权限监控。 （2）参数统一设定功能。对不同的工艺条件，参数都可以方便设定。 （3）按人机工程学原理进行界面设计。采用彩色液晶显示器和专门的机柜设计，性能稳定可靠，操作方便，克服一般塑料挤出生产线人机界面不友好的问题。 （4）I/O口的扩展方便。根据工艺的变化可以任意添加I/O点，且有远距离通信接口，组成网络，适应现代化的发展需要。 然而，塑料挤出生产线集散控制系统包括的控制内容还很多，除了上述研制设计开发的控制方案外，还有如机头压力闭环控制，制品厚度检测及闭环控制，制品定长切割等；以及上位机人机界面组态中的错误处理，动画显示生产工艺流程等，还有待于进一步的研究开发，使此集散控制系统不断的完善。