3.2米紡粘生產(chǎn)線的電氣控制系統(tǒng)

郝麗霞

（中國紡織科學(xué)技術(shù)有限公司，中國 北京100176）

0 前言

非織造布技術(shù)從誕生到現(xiàn)在，發(fā)展非常迅速，而其中紡粘法非織造布是近年發(fā)展較快的新技術(shù)，目前采用較為廣泛的為熔融紡絲成網(wǎng)法，該技術(shù)的工藝流程包括：聚合物切片喂入——螺桿熔融擠壓——熔體過濾——熔體計(jì)量紡絲——冷卻牽伸——分絲鋪網(wǎng)——熱軋定型——卷繞成型等。

在這個(gè)過程中，電氣控制系統(tǒng)主要包括：熔融擠壓系統(tǒng)的溫度控制；紡絲系統(tǒng)的壓力控制；空調(diào)系統(tǒng)的溫度、濕度、風(fēng)量的控制；冷卻牽伸系統(tǒng)中風(fēng)壓，風(fēng)速的控制；以及分絲鋪網(wǎng)及纖網(wǎng)加固系統(tǒng)的速度匹配控制等。

幅寬3.2米紡粘生產(chǎn)線為目前國內(nèi)主流紡粘法生產(chǎn)線，3.2米SSS（紡粘-紡粘-紡粘）紡粘生產(chǎn)線由三套紡粘裝置和一套鋪網(wǎng)熱定型裝置構(gòu)成，可生產(chǎn)單組分，雙組分，三組分的紡粘產(chǎn)品。該生產(chǎn)線工藝采用熔融紡絲成網(wǎng)法，電氣控制系統(tǒng)采用基于西門子Profibus-DP總線的控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用開放式的PROFIBU-DP總線控制系統(tǒng)，各點(diǎn)的控制功能由現(xiàn)場智能儀表完成，大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息由一根PROFIBUS通訊電纜傳送到控制室的PLC總站上，由工控機(jī)作為上位機(jī)監(jiān)視各個(gè)現(xiàn)場儀表的運(yùn)行狀態(tài)、進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、保存上傳數(shù)據(jù)，以及對現(xiàn)場儀表的高級控制功能?；诳偩€系統(tǒng)的靈活開放性，數(shù)字信號傳輸?shù)目垢蓴_性，一根通訊電纜代替大量的傳統(tǒng)的模擬量信號電纜的這些特點(diǎn)，使整個(gè)電氣控制系統(tǒng)在安裝、維護(hù)方面節(jié)約了大量的投資維護(hù)費(fèi)用，電氣系統(tǒng)的可靠性也得到很大提高。

在整個(gè)電氣系統(tǒng)中，我們采用西門子PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)，PLC采用西門子S7-300系列，上位機(jī)采用研華工控機(jī)，以及遠(yuǎn)程I/O工作站、溫控模塊、壓力控制器等組成整個(gè)電氣系統(tǒng)。其中，PLC及遠(yuǎn)程I/O站的數(shù)字量輸入、輸出，模擬量輸入、輸出供近200個(gè)點(diǎn)，而由PLC、上位機(jī)、遠(yuǎn)程I/O站、變頻器、溫控模塊、壓力控制器等組成的PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線上的站點(diǎn)也達(dá)40個(gè)點(diǎn)。

在硬件選型上，PLC由西門子S7-300系列組成，其中在PLC選型中：CPU選用CPU-315-2DP模塊；數(shù)字量輸入模塊選用SM321/16點(diǎn)DC24V模塊；數(shù)字量輸出選用SM322/16點(diǎn)DC24V模塊；模擬量輸入選用SM331/8點(diǎn)輸入模塊；模擬量輸出選用SM332/8點(diǎn)輸出模塊；由于受S7-300機(jī)架的制約，本PLC系統(tǒng)共選用兩排機(jī)架，通過接口模塊IM365將S7-300的背板總線連接到下一個(gè)機(jī)架，通過這種方式對PLC進(jìn)行了擴(kuò)展；由于在本控制系統(tǒng)中，S7-300是作為PROFIBUS-DP總線系統(tǒng)的主站存在的，由于受從站數(shù)量的限制，即當(dāng)從站數(shù)量超過31個(gè)時(shí)，必須加中繼等，才能進(jìn)行下一個(gè)站點(diǎn)的連接，在這里我們選用CP-342-5通信模塊作為PROFIBUS另一個(gè)主站，對超過31個(gè)從站的其它從站進(jìn)行連接，該通信模塊安裝于PLC的安裝卡規(guī)上，通過背板總線同CPU連接。

在紡粘生產(chǎn)線中，現(xiàn)場操作臺同控制室空間距離一般較遠(yuǎn)，少則20米，遠(yuǎn)的可達(dá)4、50米，而操作臺中按鈕、指示燈等元器件作為控制室PLC的輸入輸出點(diǎn)存在的，在以往的電氣設(shè)計(jì)中，往往通過若干根電纜進(jìn)行電氣的連接，增加了項(xiàng)目投資，也增多了現(xiàn)場電氣安裝時(shí)間。在本設(shè)計(jì)中，我們根據(jù)PROFIBUS-DP總線系統(tǒng)的特點(diǎn)，在操作臺處設(shè)立一個(gè)遠(yuǎn)程I/O站，作為總線系統(tǒng)的從站存在，操作臺的數(shù)據(jù)信息通過一根PROFIBUS通信電纜同控制室的PLC聯(lián)系起來，節(jié)約了投資成本和安裝成本。遠(yuǎn)程I/O站我們選用了西門子SIMATIC ET-200S系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品特點(diǎn)是占用安裝空間小，擴(kuò)展能力強(qiáng)，支持PROFIBUS通訊協(xié)議，以及具有多種模塊類型。

PROFIBUS是一種開放式的總線系統(tǒng)，支持其它廠商的產(chǎn)品作為從站掛在此總線上。在SSS紡粘生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中，作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)用的變頻器采用西門子MICROMASTER 440、430系列產(chǎn)品，通過安裝于變頻器中的PROFIBUS通訊模塊及總線連接器，用一根通信電纜把若干個(gè)變頻器串聯(lián)在一起，并連接于總線系統(tǒng)上。操作臺的遠(yuǎn)程I/O站也通過接口模塊直接掛在PROFIBUS總線上。鑒于PROFIBUS的開放性，在溫度控制系統(tǒng)中，我們選用了臺達(dá)的溫控模塊，該模塊也可通過PROFIBUS通訊模塊直接掛在總線上，在上位機(jī)上設(shè)定和顯示溫度數(shù)據(jù)。其它配套廠家生產(chǎn)的熱軋機(jī)及卷繞機(jī)等單機(jī)系統(tǒng)，也可作為一個(gè)PROFIBUS的從站，通過PLC主站，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示等。這樣的總線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制，各現(xiàn)場級的控制由智能儀表完成，而通過一根雙絞線的通訊電纜，把各智能儀表、變頻器、遠(yuǎn)程I/O站等連接到PLC上，通過數(shù)字化通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控等。

2 溫度控制系統(tǒng)

在紡粘生產(chǎn)線的各個(gè)控制系統(tǒng)中，螺桿、熔體管道、模頭部件等均采用電加熱方式進(jìn)行物料的升溫，溫度控制系統(tǒng)控制點(diǎn)數(shù)多，在整個(gè)電氣控制系統(tǒng)中，溫控點(diǎn)可達(dá)100多個(gè)，它的運(yùn)行好壞直接影響工藝參數(shù)，影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此溫度控制在整個(gè)電氣設(shè)計(jì)中是一個(gè)需要引起相當(dāng)重視的一個(gè)環(huán)節(jié)。

在溫控系統(tǒng)中，溫度控制器采用臺達(dá)的DTE系列溫控器，該溫控器為一多通道模組式溫度控制器，最多可支援六組鉑金測溫電阻輸入，各通道控制器可同時(shí)獨(dú)立運(yùn)作，并提供多種輸出模組的系列溫控模塊，該模塊可通過RTU通訊模塊連接到PROFIBUS總線上。溫度控制采用閉環(huán)控制方式，由現(xiàn)場的鉑熱電阻Pt100測得實(shí)際溫度值，輸送到溫控模塊中，同設(shè)定值進(jìn)行比較后，由控制器輸出一個(gè)控制信號，控制主回路的固態(tài)繼電器通斷。在這里我們可以看出，實(shí)際參與溫度控制的是溫控模塊，而通過PROFIBUS總線，可將實(shí)際溫度值采集并顯示在上位機(jī)上，而操作人員也可在上位機(jī)上設(shè)定理想工藝溫度值，從而反輸送給溫控模塊，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通訊。

而在溫度控制的主回路中，針對小功率的負(fù)載，我們一般選用固態(tài)繼電器進(jìn)行控制。主回路的元器件依次是熔斷器、電流互感器-電流表、固態(tài)繼電器、加熱棒。溫控模塊通過對設(shè)定值、實(shí)際值進(jìn)行比較，運(yùn)用內(nèi)部算法，輸出一個(gè)高頻通斷信號給固態(tài)繼電器的觸發(fā)端，從而通過固態(tài)繼電器的通斷來控制加熱棒的加熱時(shí)間，來精確控制溫度，使溫度控制在工藝參數(shù)允許范圍內(nèi)。

3 壓力控制系統(tǒng)

在紡粘生產(chǎn)線中，壓力控制是工藝要求非常高的一個(gè)控制系統(tǒng)，紡絲系統(tǒng)的壓力控制更是工藝的核心技術(shù)。

紡絲系統(tǒng)由螺桿擠壓機(jī)以及紡絲計(jì)量泵所組成，以紡絲泵的轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)，螺桿擠壓機(jī)能自動(dòng)跟隨紡絲泵的轉(zhuǎn)速（排出量）的變化而變化，保持供需流量的平衡。紡絲計(jì)量泵轉(zhuǎn)速的變化將導(dǎo)致泵前壓力變化，轉(zhuǎn)速升高，壓力降低；反之轉(zhuǎn)速降低，壓力升高。除了泵前壓力外，泵后壓力的變化也會對紡絲泵的工作產(chǎn)生不利的影響，泵后壓力變化主要是由紡絲組件被堵塞，阻力增大引起的，泵后壓力過大，會造成紡絲泵內(nèi)部泄露增加。

在壓力控制系統(tǒng)中，我們把泵前壓力作為參與控制的壓力信號，而泵后壓力只作為顯示報(bào)警用壓力信號，不參與螺桿電機(jī)和計(jì)量泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。

壓力控制方式也采用閉環(huán)控制方式。現(xiàn)場的壓力檢測儀表壓力傳感器把壓力信號直接連接至壓力控制表中，壓力控制表通過操作人員在表頭設(shè)定的壓力值，同實(shí)際值進(jìn)行比較后，通過PID進(jìn)行算法調(diào)節(jié)，輸出一個(gè)0～10V的電壓信號給螺桿電機(jī)的變頻器，從而控制螺桿的轉(zhuǎn)速，來保證計(jì)量泵泵前壓力恒定，使擠出的物料均衡，保證產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)，壓力控制器輸出一個(gè)4～20mA的模擬量信號直接連接至PLC的模擬量輸入端，進(jìn)行壓力信號的顯示。而控制螺桿電機(jī)、計(jì)量泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的變頻器也通過PROFIBUS總線連接至PLC，從而在上位機(jī)上進(jìn)行速度等的顯示。

4 結(jié)束語

在整個(gè)控制系統(tǒng)中，其他例如：牽伸系統(tǒng)的風(fēng)壓、風(fēng)速控制系統(tǒng)，成網(wǎng)、熱軋、卷繞系統(tǒng)的速度匹配及同步控制系統(tǒng)，等等，均有其特點(diǎn)。不管哪個(gè)控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中，不僅要考慮其自身的控制特點(diǎn)，而且也要有全局的設(shè)計(jì)理念，即也要考慮如何把單個(gè)系統(tǒng)連接到整個(gè)控制系統(tǒng)中。

在SSS紡粘生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中，我們采用了PROFIBUS-DP總線控制系統(tǒng)，并且根據(jù)它的特點(diǎn)，對整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行了組態(tài)。該系統(tǒng)在前期投資中節(jié)約了成本，減少了施工的工作量，在后期的運(yùn)行中，電氣系統(tǒng)穩(wěn)定，是一個(gè)可借鑒及推廣的整體電氣控制方案。

［1］西門子（中國）有限公司.自動(dòng)化產(chǎn)品樣本[Z].2009，07.

［2］西門子（中國）有限公司.S7-300模塊數(shù)據(jù)[Z].2007，02.

［3］臺達(dá)電子工業(yè)股份有限公司.DT溫度控制器[Z].