塑料擠出機的主從控制系統(tǒng)設計

李 揚，程 磊

（廣東工業(yè)大學 信息工程學院，廣州 510006）

0 引言

目前，國內(nèi)塑料擠出機主要采用兩種控制方式：一種為傳統(tǒng)電控柜控制方式[1]，該控制系統(tǒng)的成本低，但控制功能有限且對操作工人技能要求較高；另一種為觸摸屏+PLC控制方式[2]，由于PLC的運算能力有限、響應速度慢等原因，控制效果不太理想，也不易實現(xiàn)智能控制和全線聯(lián)動控制。針對以上情況，本文采用一種基于嵌入式控制器（也稱一體化嵌入式觸摸屏）和PLC的主從控制系統(tǒng)方案，上位機為嵌入式控制器，進行張力、溫度、轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)的顯示與設定、工藝參數(shù)調(diào)度和自學習專家系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)存儲處理等任務；下位機為總線式PLC和現(xiàn)場儀表，進行各個加熱器、風機、電機和水泵等執(zhí)行機構(gòu)的獨立控制。該系統(tǒng)自動化程度高，可實現(xiàn)全線聯(lián)動控制、智能控制和中央監(jiān)控，并實現(xiàn)生產(chǎn)工藝參數(shù)的調(diào)度和優(yōu)化。本文介紹該控制系統(tǒng)的組成、通信方式、PID控制策略和軟件界面設計等有關內(nèi)容。

1 塑料擠出機的生產(chǎn)工藝及控制要求

塑料擠出機能作為塑料三大加工機械之一，在塑料行業(yè)應用廣泛，常見的塑料擠出機由主機和輔機兩部分組成，如圖1所示。主機的主要功能是實現(xiàn)塑膠原料的輸送、加熱融熔功能，包括喂料系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)、熔融系統(tǒng)、擠出模頭；輔機的主要功能是實現(xiàn)融熔物料的冷卻定型、壓光、牽引以及成卷功能，包括壓光牽引系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、收卷系統(tǒng)。

塑料擠出機組的生產(chǎn)工藝流程是：將多種物料熔融擠出、過濾、精密計量、模頭擠出、三輥壓光、膠輥牽引、恒張力收卷等生產(chǎn)工藝，制得優(yōu)質(zhì)單層或多層功能性片材或薄膜。

擠出機的主要運行控制參數(shù)包括[3]：

1）熔體壓力過壓監(jiān)測；

2）進料口控制；

3）進料口溫度檢測；

4）分區(qū)加熱器功率調(diào)節(jié)；

圖1 塑料擠出機的結(jié)構(gòu)圖

5）冷卻功率調(diào)節(jié)，采用風冷；

6）模頭溫度檢測；

7）螺桿速度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速；

8）電機負荷（電機工作電流）監(jiān)測；

9）擠出型材線速度檢測。

2 控制系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)采用典型的兩級主從式結(jié)構(gòu)控制方案，嵌入式控制器（也稱一體化觸摸屏）與PLC、現(xiàn)場儀表構(gòu)成自動控制系統(tǒng)。溫度傳感器和壓力傳感器的模擬量通過溫度采集模塊和變送器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，由RS585總線輸送到一體化觸摸屏進行顯示及運算，運算結(jié)果由RS232總線輸出至PLC，再由PLC控制水泵、風機、加熱器及電機的運行。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

開機后，由一體化觸摸屏輸出控制信號，加熱器開始工作，溫度傳感器采集的模擬量通過溫度采集模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，由RS585總線傳送到一體化觸摸屏進行PID處理，處理結(jié)果由RS232總線輸出至PLC，達到溫度要求后，啟動喂料系統(tǒng)、水泵及主機電機。壓力傳感器采集熔融體的壓力值，由變送器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳入一體化觸摸屏，經(jīng)過PID運算，控制PLC輸出模擬量信號，通過變頻器控制主機電機轉(zhuǎn)速，同時根據(jù)主機電機轉(zhuǎn)速控制壓光牽引系統(tǒng)及收卷系統(tǒng)。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及顯示由嵌入式一體化觸摸屏實現(xiàn)，現(xiàn)場控制由PLC實現(xiàn)，主從式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)實現(xiàn)對塑料擠出機生產(chǎn)線的聯(lián)動控制和中央監(jiān)控。

2.1 上位機

該系統(tǒng)上位機采用某公司生產(chǎn)的TPC156Hi型號的嵌入式一體化觸摸屏。該觸摸屏采用15英寸高亮度TFT液晶顯示屏、八線電阻式觸摸屏，以及具有良好的電磁屏蔽性，自帶兩個RS232串口、兩個RS232/RS485串口、兩個USB接口以及一個RJ45以太網(wǎng)口。TPC156Hi不僅具有與眾多硬件交互功能。它可以方便地讀寫各種PLC、智能儀表、智能模塊、變頻器等工控設備的數(shù)據(jù)。

上位機實現(xiàn)的功能有：與下位機通信；控制算法的實現(xiàn)；工藝參數(shù)的設置并能自動或手動下發(fā)；故障鳴音報警；查詢從站的歷史參數(shù)記錄；實時顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和運行參數(shù)；用戶登錄和操作權(quán)限設置[4]。

2.2 下位機

下位機采用德國SIMENS公司的S7-300可編程控制器進行流程控制，利用MPI口與上位機通信，DP口用于PLC之間的通信。根據(jù)擠出工藝要求，本控制系統(tǒng)要求實現(xiàn)四路模擬量輸入、十路模擬量輸出、四十路開關量輸出，其中三十二路用于溫度控制，八路用于生產(chǎn)線照明及警報等。所以擴展一個SM331模擬量輸入模塊、兩個SM332模擬量輸出模塊、兩個SM322數(shù)字量輸出模塊。硬件組態(tài)如下：

1）主站采用CPU 315-2DP，用戶內(nèi)存容量為48KB，最大MMC為8MB，可實現(xiàn)自由編址，數(shù)字量I/O點數(shù)可達992個，模擬量輸入為248個，模擬量輸出為124個，1KB的指令處理時間為0.1ms，位存儲器M為2048個，計數(shù)器為256個，定時器為256個，集成有MPI和DP通信口，沒有PtP通信口，CUP集成24為數(shù)字量輸入和16位數(shù)字量輸出，集成5位模擬量輸入和2位模擬量輸出。

2）數(shù)字量輸出模塊，選用SM322，共選用兩塊（32點輸出帶隔離）。

3）模擬量輸入模塊，選用SM331(8通道輸入)，處理8路輸入信號；模擬量輸出模塊，選用SM332，共選用兩塊（8通道輸出），處理16路輸出信號。

4）電源模塊，選用PS-307提供系統(tǒng)電源。

圖3 下位機硬件組態(tài)

3 MCGS與外部設備通信

MCGS(Monitor and Control Generated System，通用監(jiān)控系統(tǒng))是用于快速構(gòu)造和生成計算機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件。在MCGS系統(tǒng)中，負責硬件組態(tài)的是設備窗口，使得MCGS能從外部設備，如傳感器、電機等，讀取實時數(shù)據(jù)，運算后輸出控制信號，實現(xiàn)對生產(chǎn)流程的實時監(jiān)控。首先，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在設備窗口內(nèi)配置相關的主從設備構(gòu)件，然后根據(jù)設備的類型和特征，設置相關的屬性，建立傳輸通道連接。系統(tǒng)運行過程中，設備構(gòu)件由設備窗口統(tǒng)一調(diào)度管理。MCGS與PLC之間的通信時通過串行口與PLC進行通信，訪問PLC相關的寄存器地址，以獲得PLC所控制設備的狀態(tài)或修改相關寄存器的值。MCGS與外部設備通訊的示意圖如圖4所示[5]。

圖4 通信原理圖

PLC使用標準西門子MPI適配器與觸摸屏RS232口通訊，適配器上的DIP開關設置串口通訊的波特率，與上位機Set PG/PC中PC Adapter的本地連接設置一致。MCGS系統(tǒng)與外部設備建立連接時，首先打開設備窗口，添加一個串口父設備，當直接用串口進行本地通訊時，添加”串口通訊父設備”，雙擊其中的串口通訊父設備，在設備組態(tài)窗口中添加一個串口通訊設備，然后向設備組態(tài)窗口中添加西門子S7-300MPI設備。設備屬性設置如圖5所示。各參數(shù)與PLC編程時上位機Set PG/PC中PC Adapter的本地連接設置一致。然后在PLC設備的設備屬性設置對話框中對其通道屬性進行設置，并建立起通道與MCGS實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)的連接。

4 PID控制方案

溫度、壓力、張力、速度的PID控制是本控制系統(tǒng)的主要任務。本系統(tǒng)的PID控制采取普通PID控制與智能PID控制相結(jié)合的方式，對于壓力、張力、轉(zhuǎn)速采取MCGS自帶的PID運算功能進行PID控制；對于溫度采取MCGS與MATLAB相結(jié)合的方式，實現(xiàn)對溫度的模糊PID解耦控制。這種針對不同對象采取差異化的PID控制方案既能夠滿足系統(tǒng)要求，又能降低控制系統(tǒng)的復雜性。

4.1 基于MCGS的PID控制的實現(xiàn)

在MCGS的實時數(shù)據(jù)庫中完成數(shù)據(jù)組態(tài)后，在設備窗口完成設備組態(tài)，驅(qū)動外部設備，使數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)與外部設備通道建立連接。在循環(huán)策略塊中創(chuàng)建一個策略行，在策略行的條件部分可以控制該算法是否啟動，策略行的功能部分放置腳本程序構(gòu)件，在策略行的腳本程序構(gòu)件中編制對應的腳本程序[6]。

圖5 MCGS設備組態(tài)參數(shù)設置

以下是腳本程序PID運算的部分說明。

4.2 模糊PID控制的實現(xiàn)

傳統(tǒng)的塑料擠出機控制系統(tǒng)一般由PLC構(gòu)成控制核心，溫度控制是通過PLC內(nèi)部自帶的經(jīng)典PID控制器來實現(xiàn)。由于傳統(tǒng)塑料擠出機存在多溫區(qū)加熱加上PID算法本身缺陷且處理數(shù)據(jù)量較大，傳統(tǒng)溫度控制很容易產(chǎn)生耦合和超調(diào)。本系統(tǒng)的溫控采用MCGS與MATLAB相結(jié)合的方式，實現(xiàn)對溫度的模糊PID解耦控制。

MCGS與MATLAB混合編程使控制系統(tǒng)既有MCGS豐富直觀的圖形界面又有針對塑料擠出機系統(tǒng)的獨特算法。由于通過DDE和OPC方式實現(xiàn)MCGS與MATLAB的數(shù)據(jù)交換都需要MATLAB環(huán)境做支持，所以本系統(tǒng)采用開發(fā)MCGS自定義控件的方法實現(xiàn)MCGS與MATLAB的結(jié)合，使得整個控制系統(tǒng)具有獨立性。由于模糊PID解耦控制算法較為復雜，這里不作詳細介紹。本文著重說明MCGS與MATLAB結(jié)合的實現(xiàn)方法，其原理如圖6所示。

圖6 MATLAB開發(fā)MCGS功能構(gòu)件原理

MCGS與MATLAB結(jié)合的實質(zhì)是開發(fā)具有模糊PID功能的構(gòu)件，通過規(guī)范的OLE(Object Linking and Embedding，對象連接與嵌入)接口掛接到MCGS中，使其構(gòu)成一個整體。開發(fā)前需安裝MCGS高級開發(fā)功能包和Visual Basic6.0。

首先啟動VB6.0，選擇“外接程序”菜單，進入MCGS開發(fā)向?qū)?，按照提示生成DLL運行策略功能構(gòu)件及功能構(gòu)件的源程序框架。

在MATLAB環(huán)境下通過Fuzzy Logic Toolbox提供的一套完善的模糊控制系統(tǒng)設計方案編寫出各種算法子程序，程序保存為.m文件，并通過COM Builder將其制作成COM組件。

在VB環(huán)境下設計MCGS組態(tài)、運行環(huán)境的兩個顯示界面[7]。組態(tài)界面用于設置輸入值誤差、誤差變化率及PID各參數(shù)所對應的數(shù)據(jù)對象；運行界面中實時顯示與當前誤差、誤差變化率及計算所得PID參數(shù)變化量[8]。

然后選擇工程-調(diào)用，引入之前生成的COM組件，進入工程組，對功能構(gòu)件的接口進行調(diào)試，此時需同時運行MCGS中的工程。完成所有的編程、調(diào)試工作后，將工程重新編譯一遍，生成最終的DLL文件，將其拷貝到AddIns文件夾中，并修改相應的AddIns.ini文件。

進入MCGS運行環(huán)境后，當對應的策略行被執(zhí)行時，MCGS調(diào)用構(gòu)件的運行接口，執(zhí)行模糊自適應PID算法。

5 人機界面設計

在嵌入式控制器的觸摸屏中，進行可視化流程軟件界面設計用于中央監(jiān)控。主要控制功能包括：1）實時控制功能，如設備的啟停、自動/手動的切換、工藝參數(shù)的設定及修改等；2）顯示功能，如動態(tài)顯示生產(chǎn)線的工藝流程圖、各種設備的工作狀態(tài)及儀表的實時數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)的曲線圖、報警記錄、數(shù)據(jù)記錄等。根據(jù)系統(tǒng)所需監(jiān)控的過程變量和實際功能，共設計了7個不同的控制顯示界面，分別對應各子系統(tǒng)的自調(diào)節(jié)及顯示的內(nèi)容，如圖7所示。

圖7 生產(chǎn)監(jiān)控界面

1)監(jiān)控畫面。顯示擠出機生產(chǎn)時的工序流程，顯示諸如電機狀態(tài)、溫度、壓力等各量的實時值。

2)主機操作?？刂浦鳈C的啟停，手動調(diào)節(jié)主機生產(chǎn)時的各項參數(shù)，顯示主機生產(chǎn)時的相關實時數(shù)據(jù)。

3)輔機操作。控制輔機的啟停，手動調(diào)節(jié)輔機生產(chǎn)是的各項參數(shù)，顯示輔機生產(chǎn)時的相關實時數(shù)據(jù)。

4)收卷計數(shù)?？刂破牡氖站恚约爱a(chǎn)量計算。

5)加熱控制。設置加熱區(qū)的溫度參數(shù)，顯示各溫區(qū)的實時數(shù)據(jù)。由于溫控點過多，采用兩個界面顯示。

6 結(jié)論

采用主從結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，上位機為嵌入式控制器，用于實現(xiàn)機組的中央監(jiān)控、全線聯(lián)動控制和智能控制，下位機為西門子PLC，實現(xiàn)塑料擠出設備各控制單元的獨立控制。與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，不僅減少了電器元件的數(shù)量，省去了較為復雜的電氣接線，而且控制功能更加強大，生產(chǎn)操作和維護更加簡便，提高了機組的生產(chǎn)效率、自動化和智能化水平，具有較大的應用推廣價值。

[1]Fabio Previdi,Sergio M.Savaresi,Angiolino Panarotto.Design of a feedback control system for real-time control of flow in a single-screw extruder[J].Control Engineering Practice,2005,Vol.14 (9),pp.1111-1121.

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