擠出機控制系統(tǒng)設計

王仁智 趙洪軍

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擠出機控制系統(tǒng)設計

王仁智 趙洪軍

江蘇中電聯(lián)瑞瑪節(jié)能技術有限公司，江蘇 南京 210000

闡述了PID及階躍控制在擠出機控制系統(tǒng)中的應用，針對擠出機控制系統(tǒng)要求，采用Siemens系列CPU設計了擠出機控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用總線通信架構，滿足系統(tǒng)高可靠性、高可用性、安裝維護簡便的要求。系統(tǒng)使用方便，維護簡單。

PLC；WINCC；PID通信

引言

隨著時代的發(fā)展，單靠人工操作已不能滿足大型企業(yè)的生產要求，也無法保證產品的高質量和企業(yè)的形象。人們在生產實踐中看到，自動化帶來了極大的便利，減輕了人員的勞動強度，減少了人員編制。在許多復雜的控制過程中操作人員難以實現(xiàn)的目標控制，PLC卻可以很方便地實現(xiàn)。本文介紹了PID控制及步進控制在擠出機上的應用。

1 系統(tǒng)概述

1.1 擠出機介紹

擠出機的部件組成可分為兩個部分：一是動力部分；二是加熱部分。動力部分大多采用變頻器控制電機的轉速，即原料的擠出速度。加熱部分大多采用導熱油加熱機體內部。

工作過程：塑料物料從料斗進入擠出機，在螺桿的轉動帶動下將其向前輸送，物料在向前運動的過程中，接受料筒的加熱、螺桿帶來的剪切以及壓縮作用使得物料熔融，因而實現(xiàn)了在玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)的三態(tài)間的變化。在加壓下，處于粘流態(tài)的物料通過具有一定形狀的口模，然后根據口模而成為橫截面和口模樣子相仿的連續(xù)體，繼而冷卻定型形成玻璃態(tài)，由此得到所需加工的制件。

在擠出機中，一般情況下最基本和最通用的是單螺桿擠出機。本項目主要應用的是雙螺桿擠出機。其主要包括：傳動、加料裝置、料筒、螺桿、機頭和口模等6個部分[1]。

1.2 控制系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)配置兩臺LCD操作站，可對擠出機系統(tǒng)的所有設備進行監(jiān)控，上位機控制軟件采用德國Siemens公司的Win CC7.0軟件。此軟件是一個開放且可擴展的SCADA，支持目前大部分廠商的PLC及其通信協(xié)議，WinCC7.0軟件通過內部特有的I/O Server服務器與PLC硬件采集通信數據，并把采集到的數據通過報警、趨勢、報表等功能更直觀地顯示出來。下位機以Siemens公司CPU315為系統(tǒng)控制核心，CPU315能夠對擠出機各個電機的轉速、電流、電壓、各個溫度測點以及閥門的開關狀態(tài)等進行監(jiān)視，同時在一定條件下可對電機轉速即閥門開度進行自動調整和同期操作?？刂品绞讲捎檬謩硬僮骱妥詣涌刂苾煞N方式[2]。手動操作是進行設備單體的啟?？刂疲粎⑴c設備之間的聯(lián)鎖控制；自動操作時，擠出機各加熱點閥門可以根據溫度自動調節(jié)開度，并且電機設備之間進行聯(lián)鎖控制。

1.3 PID介紹

在過去幾十年里，PID控制也就是比例積分微分控制在工業(yè)控制中得到了廣泛應用。在控制理論和技術發(fā)展的今天，在工業(yè)過程控制中95%以上的控制回路都具有PID結構，而且許多高級控制都是以PID控制為基礎的[3]。常規(guī)PID控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對象組成。

圖1

本系統(tǒng)主要是對擠出機加熱部分進行PID控制，通過導熱油調節(jié)閥的自動調節(jié)，從而控制溫度。

2 工程設計

2.1 系統(tǒng)硬件架構

本除控制系統(tǒng)采用PROFIBUS及MODBUS雙通信架構。PLC與閥門及溫度測點采用硬接點信號，與電機驅動器（變頻器）采用Profibus通信，與加熱控制器采用Modbus通信。通過通信這種方式，可以更精確地控制電機的轉速以及加熱器的功率。如果某個I/O模塊發(fā)生故障，系統(tǒng)允許在不斷電的情況下對故障的模塊進行熱插拔，避免不必要的生產停機，方便系統(tǒng)維護。具體硬件配置如圖2所示：

圖2

2.2 控制要求

根據業(yè)主方提出的擠出機的控制要求，擠出機的初始升溫階段，各加熱站的溫度溫升必須控制在10?℃/min范圍內，且最終的實際溫度的誤差范圍必須控制在1?℃。根據此控制要求，如果單一使用PID進行控制，則在升溫過程中無法實現(xiàn)5?℃/min的要求，因此此控制程序中引入了步進控制的理論。每分鐘整定一次設定溫度值，不斷步進遞升直到達到最終需要的溫度。在其控制過程中，閥門通過PID進行自動調節(jié)，從而不斷達到每分鐘的設定值。

2.3 控制程序結構

本系統(tǒng)采用FBD（功能塊圖）及LAD（梯形圖）作為編程語言。FBD及LAD編程語言直觀性強，對控制邏輯關系復雜的控制系統(tǒng)來說，F(xiàn)BD及LAD編程語言能夠更清楚地表達功能關系，大大減少了編程調試時間。

圖3、圖4、圖5分別是擠出機加熱站#1站的溫度控制邏輯圖。通過邏輯圖可以看出溫度設定值每30?s增加5?℃，即1?min增加10?℃，步進增加的設定值達到最終設定溫度時停止[4]。圖6為PID加熱閥PID控制的控制邏輯圖。

2.4 控制結果

圖中相應線色分別代表：黑色為最終設定溫度；藍色為階躍設定溫度；天藍色為實際溫度反饋值；紅色為加熱調節(jié)閥的開度；綠色為冷卻調節(jié)閥的開度。

圖3

圖4

圖5

圖7 控制效果圖

根據圖7的歷史曲線圖，可以觀察出最終實際溫度值已達到設定溫度值，且二者之間偏差0.7?℃，在1?℃范圍內。

3 結束語

由Siemens 系列PLC構成的控制系統(tǒng)，有很強的數據處理能力和邏輯運算能力，網絡架構簡單，數據通信可靠，操作界面友好。該套系統(tǒng)投運已有一段時間，總體效果不錯，控制系統(tǒng)日常維護量少，安全可靠，操作簡單，能很好滿足工業(yè)生產的需要，值得在水處理行業(yè)推廣。

[1]Siemens公司s7300_module_data_manual_zh-CHS_ zh-CHS模塊手冊[Z].

[2]Siemens公司 WINCC手冊[Z].

[3]于慶廣.可編程序控制器原理及系統(tǒng)設計[M].北京：清華大學出版社，2004.

[4]王衛(wèi)兵.PLC系統(tǒng)通信、擴展網絡互連技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

Design of Control System for Extruder

Wang Renzhi Zhao Hongjun

Jiangsu Cec-ricm Energy Conservation Technology Co., Ltd., Jiangsu Nanjing 210000

The paper introduces the PID and step control in the control system of the extruder. According to the control system requirements of extruder, using Siemens series CPU designes a machine control system of extrusion. The system adopts bus communication architecture and meets the requirements of high reliability, high availability, convenient maintenance and installation of the system. The system is easy to use and easy to maintain.

PLC; WINCC; PID communication

TQ320.52

A

1009-6434（2017）9-0064-03