在線添加動(dòng)態(tài)混合器PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈 波， 張 琦， 楊 博， 岳永旺

(中國紡織科學(xué)研究院 生物源纖維制造技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100025)

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在線添加動(dòng)態(tài)混合器PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈 波， 張 琦， 楊 博， 岳永旺

(中國紡織科學(xué)研究院 生物源纖維制造技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100025)

基于可編程控制器(PLC)與MODBUS工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為動(dòng)態(tài)混合器設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠隨著紡絲原料流量的變化動(dòng)態(tài)地添加混合功能母粒。來自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的被測(cè)信號(hào)通過MODBUS網(wǎng)絡(luò)上傳給PLC，根據(jù)動(dòng)態(tài)混合器設(shè)備的工藝要求及控制算法，PLC計(jì)算出控制信號(hào)，并通過MODBUS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給控制設(shè)備或調(diào)節(jié)器。該系統(tǒng)是整個(gè)紡絲工藝控制系統(tǒng)的一部分,可改變?cè)邢到y(tǒng)只能隨時(shí)間按固定容量添加功能母粒的狀況，實(shí)現(xiàn)功能母粒注入量隨紡絲設(shè)備狀態(tài)的變化而實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，保證注入比例實(shí)時(shí)恒定。該系統(tǒng)也能解決原先儀表控制系統(tǒng)的反應(yīng)滯后問題。實(shí)際應(yīng)用效果表明，紡絲工藝的質(zhì)量及穩(wěn)定性得到了明顯提高。

可編程控制器； MODBUS； 動(dòng)態(tài)混合器； 自動(dòng)控制系統(tǒng)； 紡絲

在紡織加工工藝過程中，往往需要把多種不同原料及不同功能的添加劑進(jìn)行混合反應(yīng)，從而得到具有不同性能的化學(xué)纖維或紡絲產(chǎn)品[1]。以熔融紡絲工藝為例，在成纖聚合物原料中添加配制好的功能母粒，進(jìn)行充分均勻攪拌與熔合，然后使用紡絲泵連續(xù)、定量而均勻地從噴絲頭(或噴絲板)的毛細(xì)孔中擠出，而成為膠態(tài)細(xì)流，再在空氣、水或特定的凝固浴中冷卻、固化成為初生纖維的過程稱作“纖維成型”，或稱“紡絲”。紡絲是化學(xué)纖維生產(chǎn)過程中的核心工序，而添加劑的均勻性則是紡絲的重要指標(biāo)，直接影響初生纖維和成品絲的質(zhì)量[2-3]。

傳統(tǒng)的功能母粒添加紡絲方式大都從進(jìn)料口按比例添加入進(jìn)料倉，經(jīng)攪拌送入紡絲機(jī)[4-5]。這種方法只能保證單位容量?jī)?nèi)均勻，例如每桶料、每個(gè)料倉或每段料，而不是任意單位的料,且易產(chǎn)生自聚現(xiàn)象[6]，易造成紡絲質(zhì)量不均勻，甚至生成殘次品。精確的混料過程應(yīng)為根據(jù)準(zhǔn)確的出料量，用注入計(jì)量泵實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、連續(xù)、精確地加入添加劑，并充分有效地進(jìn)行攪拌，使物料內(nèi)各部分都保持均勻。為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于PLC 的在線添加動(dòng)態(tài)混合器的自動(dòng)控制系統(tǒng)[7-8]，該系統(tǒng)是整個(gè)紡絲工藝控制系統(tǒng)的一部分，可根據(jù)出料量要求范疇，按照原料進(jìn)料量，采用無超調(diào)PID算法，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)功能母粒添加量。實(shí)際生產(chǎn)證明，與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，該控制系統(tǒng)有效提高了混合物的均勻連續(xù)度和混合比例準(zhǔn)確度。

圖1 在線添加動(dòng)態(tài)混合器組態(tài)原理圖Fig.1 Configuration of control system of dynamic mixer on line addition

1 PLC的在線添加動(dòng)態(tài)混合器原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

如要實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)思想，就要從相應(yīng)的設(shè)備配置入手。紡絲生產(chǎn)系統(tǒng)由紡絲系統(tǒng)和注入系統(tǒng)組成。切片紡絲時(shí)，紡絲系統(tǒng)由螺桿擠出機(jī)、熔體管路、紡絲計(jì)量泵組成。直接紡時(shí)，紡絲系統(tǒng)由增壓泵、熔體管路、紡絲計(jì)量泵組成。

注入系統(tǒng)由動(dòng)態(tài)混合器、注入螺桿、注入計(jì)量泵組成。動(dòng)態(tài)混合器含有進(jìn)料區(qū)和混料1～6區(qū)7個(gè)加熱區(qū)，機(jī)頭設(shè)機(jī)頭壓力、熔體溫度、混合器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)。注入螺桿含有注入1～5區(qū)、機(jī)頭溫度顯示、泵前壓力、螺桿拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)。注入計(jì)量泵含有計(jì)量泵加熱區(qū)、泵后壓力、計(jì)量泵電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。系統(tǒng)加裝在紡絲計(jì)量泵前的熔體管路間如圖1所示。

1.2 工作原理

切片紡絲時(shí)，由螺桿擠出機(jī)熔融推送物料，向紡絲計(jì)量泵輸送充足、穩(wěn)定的熔體。直接紡時(shí)，紡絲系統(tǒng)由增壓泵推送熔體，向紡絲計(jì)量泵輸送充足、穩(wěn)定的物料，再由紡絲計(jì)量泵按一定轉(zhuǎn)速均勻地從噴絲頭(或噴絲板)的毛細(xì)孔中擠出，冷卻后形成纖維。因此，只要采集到紡絲計(jì)量泵的頻率和其開停狀態(tài)就能得到準(zhǔn)確的出料量。

注入系統(tǒng)中，主物料經(jīng)螺桿擠出機(jī)或增壓泵送入動(dòng)態(tài)混合器進(jìn)料口，添加劑經(jīng)注入擠出機(jī)、注入計(jì)量泵進(jìn)入動(dòng)態(tài)混合器注入口。經(jīng)動(dòng)態(tài)混合器混合特殊結(jié)構(gòu)的攪拌送入紡絲計(jì)量泵入口，通過變頻器分別控制相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)紡絲計(jì)量泵，實(shí)現(xiàn)對(duì)出料量的控制。注入螺桿輸送功能母粒，注入1～5區(qū)對(duì)功能母粒進(jìn)行加熱并控制功能母粒的溫度。紡絲計(jì)量泵與注入計(jì)量泵進(jìn)行聯(lián)鎖控制，計(jì)量泵用于動(dòng)態(tài)控制最終進(jìn)入混合器的功能母粒量。功能母粒進(jìn)入混合器之后與成纖聚合物原料進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌希⑷诨扇垠w，混合后的熔體從混合出料口輸送到下一道工序。工藝人員確定混料比后，通過數(shù)據(jù)采集、工程計(jì)算，就能得出精準(zhǔn)的注入量。

根據(jù)工藝要求設(shè)置各加熱區(qū)的溫度。打開進(jìn)料閥，啟動(dòng)混合器。觀察混料機(jī)頭壓力，如果數(shù)值開始增加，則將混合器頻率設(shè)為適當(dāng)?shù)墓に囍?。啟?dòng)注入計(jì)量泵，然后啟動(dòng)注入機(jī)。調(diào)節(jié)注入機(jī)手動(dòng)輸出，使注入機(jī)慢速運(yùn)行。慢慢向注入機(jī)內(nèi)加料，觀察泵前壓力。泵前壓力升至設(shè)定值后，可將泵前壓力控制儀表切換到自動(dòng)。

2 在線添加動(dòng)態(tài)混合器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制原理

進(jìn)料區(qū)和混料1～6區(qū)，注入螺桿含有注入1～5區(qū)，由測(cè)溫鉑電阻測(cè)得計(jì)量泵加熱區(qū)的實(shí)際溫度，送給相應(yīng)儀表，并與上位機(jī)送來的給定比較、通過PID運(yùn)算控制溫控柜內(nèi)的調(diào)功器輸出使溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上。實(shí)際溫度超過報(bào)警溫度時(shí)控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷加熱電源。泵前壓力信號(hào)送至泵前壓力控制表上，與上位機(jī)送來的給定信號(hào)比較、經(jīng)PID運(yùn)算得出輸出信號(hào)送至注入機(jī)變頻器維持泵前壓力的穩(wěn)定。計(jì)量泵電動(dòng)機(jī)頻率由上位機(jī)設(shè)定?；旌掀麟妱?dòng)機(jī)頻率由上位機(jī)設(shè)定。啟動(dòng)混合器，然后啟動(dòng)計(jì)量泵電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)注入機(jī)。計(jì)量泵未啟動(dòng)時(shí)，不能啟動(dòng)注入機(jī)。

PLC作為中央控制區(qū)，除用于上位機(jī)監(jiān)視控制以外，一個(gè)最重要的目的是用來控制完成功能母粒隨成纖聚合物動(dòng)態(tài)添加，使熔體中原料與添加劑的比例更好地滿足工藝要求[9]。首先，PLC采集控制輸送成纖聚合物原料的6臺(tái)變頻電動(dòng)機(jī)的實(shí)際頻率，根據(jù)他們的頻率之和，按照工藝要求，以及成纖聚合物與功能母粒在輸送管道里的時(shí)間差、注入機(jī)的實(shí)際運(yùn)行頻率等參數(shù)，利用專家算法，計(jì)算出計(jì)量泵的控制頻率，進(jìn)而控制計(jì)量泵的運(yùn)行速度，并在適當(dāng)情況下可對(duì)功能母粒注入電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

以6部位紡絲系統(tǒng)為例，設(shè)Q為紡絲系統(tǒng)總出料量；Q1～Q6為1至6部位出料量；Kf為各部位出料量與紡絲計(jì)量泵電動(dòng)機(jī)頻率的換算系數(shù)；D1～D6為1至6部位的開停狀態(tài)，1為開，0為停；f1～f6為1至6部位的紡絲計(jì)量泵電動(dòng)機(jī)頻率，那么：

已知總出料量，根據(jù)工藝要求設(shè)定混料比α，由式(2)可計(jì)算出注入量Qz：

(2)

式中：α為混料比；Qz為注入量；Kz為注入量與注入計(jì)量泵電動(dòng)機(jī)頻率的換算系數(shù)；fz為注入計(jì)量泵電動(dòng)機(jī)頻率。

將式(1)代入式(2)導(dǎo)出：

(3)

式中：α由工藝人員根據(jù)要求設(shè)置；Kf、Kz為常數(shù)；(D1×f1+D2×f2+D3×f3+D4×f4+D5×f5+D6×f6)可由PLC控制器通過通信方式，從紡絲計(jì)量泵電動(dòng)機(jī)的變頻器上讀出。將式(3)由PLC用元軟件編出，就可實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地得到注入計(jì)量泵電動(dòng)機(jī)頻率。不論紡絲計(jì)量泵頻率變化還是開、停位，該式能自動(dòng)加以計(jì)算。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)工序工藝與控制系統(tǒng)要求，PLC控制器主要是對(duì)注入功能母粒的1～5區(qū)、(功能母粒)進(jìn)料區(qū)、混料1～6區(qū)的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)控制，對(duì)注入機(jī)頭和混料機(jī)頭的壓力和溫度進(jìn)行監(jiān)視或控制，對(duì)注入電動(dòng)機(jī)、計(jì)量泵電動(dòng)機(jī)、混料電動(dòng)機(jī)的頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，以及向上位監(jiān)控機(jī)傳送各種信息，并接受來自上位監(jiān)控機(jī)的控制信息。由此，該P(yáng)LC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 在線添加動(dòng)態(tài)混合器 PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure of control system of dynamic mixer online addition based on PLC

2.3 系統(tǒng)的信號(hào)傳輸關(guān)系

系統(tǒng)采用PLC梯形圖編程實(shí)現(xiàn)各種邏輯運(yùn)算控制和各種溫度、壓力、流速的檢測(cè)控制。根據(jù)紡絲功能母粒在線添加動(dòng)態(tài)混合器系統(tǒng)控制要求，其檢測(cè)、顯示、控制、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分布與信號(hào)傳輸關(guān)系示意圖如圖3所示[10-11]。為便于程序調(diào)節(jié)與維護(hù)升級(jí)，按照信號(hào)傳輸關(guān)系與功能關(guān)系，軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想[12]。

圖3 在線添加動(dòng)態(tài)混合器信號(hào)傳輸關(guān)系圖Fig.3 Signal transmission of control system of dynamic mixer online addition

3 結(jié) 論

傳統(tǒng)紡絲工藝的功能母?；蛱砑觿┑募恿线^程采用的是人工加料或隨時(shí)間線性加料， 這些方式無法滿足紡絲質(zhì)量的高均衡性要求，易受生產(chǎn)過程擾動(dòng)的影響。為解決這個(gè)問題，利用可編程控制器PLC控制技術(shù)，對(duì)混合器的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了功能母粒的動(dòng)態(tài)添加自動(dòng)化控制。試驗(yàn)生產(chǎn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能大大提高紡絲質(zhì)量穩(wěn)定性，提高了產(chǎn)品合格率與生產(chǎn)效率，完全可滿足企業(yè)的工藝要求，控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，易根據(jù)控制需求進(jìn)行升級(jí)或改進(jìn)。

FZXB

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Design of PLC control system of on-line addition dynamic mixer

SHEN Bo, ZHANG Qi, YANG Bo, YUE Yongwang

(StateKeyLaboratoryofBiobasedFiberManufacturingTechnology,ChinaTextileAcademy,Beijing100025,Beijing)

Based on the programmable logic controller (PLC) and the MODBUS industrial communication network technology, an automatic control system for dynamic mixer is designed, which can add mixed functional masterbatch dynamically with the change of the flow of spinning raw material. Signals from the production field are transmitted to PLC via the MODBUS network, then the PLC calculates control signals according process requirements and control algorithms of the dynamic mixer, and sends the control signals to control devices or regulators via the MODBUS network as well. The system is a part of the whole spinning process control system. It can change the situation that the original system only can add functional masterbatch with time according to fixed volumes, and realizes real-time dynamic adjustment of the injection volume of functional masterbatch with the change of the state of the spinning device, ensuring the injection proportion constant in real time. The system also can solve the problem of original instrument control system on response. The actual application results show that the quality and stability of the spinning process are improved significantly.

programmable logic controller; MODBUS; dynamic mixer; automatic control system; spinning

10.13475/j.fzxb.20140801405

2014-08-05

2015-07-15

沈波(1963—)，男，工程師。主要研究方向?yàn)殡姎饧捌渥詣?dòng)化。岳永旺，通信作者，E-mail：yueyongwang@126.com。

TP 23.5；TS 152.7

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