S7-1200在PTFE擠出機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉向陽

（南京肯特復(fù)合材料股份有限公司，江蘇南京 211162）

0 引言

聚四氟乙烯（PTFE）在熔融狀態(tài)下黏度極高（10～10 Pas），因而氟塑料不能采用一般熱塑性塑料的加工方法，它的典型生產(chǎn)工藝是類似于球墨鑄鐵的粉末冶金工藝，即模壓—燒結(jié)工藝。柱塞擠出工藝是將PTFE樹脂加入模具擠壓、升溫，當(dāng)物料溫度超過327℃熔點(diǎn)時(shí)，PTFE樹脂大分子鏈皺晶區(qū)消失，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形態(tài)，分子鏈伸長(zhǎng)，體積膨脹可迭20～25。在活塞壓力作用下，同時(shí)在燒結(jié)段呈黏稠態(tài)的物料阻力、模具模壁的摩擦阻力以及外加反力的共同作用下，融結(jié)成整體而成為連續(xù)的型材。PTFE柱塞擠出工藝同一般熱塑性塑料所采用的熔融擠出工藝是根本不同的兩種方法，柱塞擠出實(shí)際上是先壓緊、后焙燒的過程。因此柱塞擠出工藝可看作是模壓—燒結(jié)工藝的延伸，是連續(xù)模壓—燒結(jié)過程［1］。作為S7-200的升級(jí)替代產(chǎn)品，S7-1200具有更高的性價(jià)比,在涵蓋了S7-200原有功能的基礎(chǔ)上又新增了許多功能,能夠滿足更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。采用模塊化設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)緊湊,擴(kuò)展靈活方便；集成了強(qiáng)大的工藝功能,如高速輸入、高速輸出、PID控制等,可完成多種特殊工藝需求［2］。西門子KTP觸摸屏憑借著TIA全集成功能，能方便地將PID的各個(gè)調(diào)節(jié)變量清晰地顯示在觸摸屏，并能通過觸摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)PID控制［3］。

1 控制設(shè)計(jì)

1.1 控制描述

（1）溫度控制：擠出機(jī)模具上不同區(qū)域共裝有6組加熱圈和6個(gè)溫度傳感器，控制系統(tǒng)需根據(jù)工藝要求控制不同區(qū)域的模具溫度。（2）擠出機(jī)動(dòng)作控制如：擠出、回程、抽芯和抽芯退等動(dòng)作的手動(dòng)和自動(dòng)控制。（3）自動(dòng)加料部件控制：控制系統(tǒng)應(yīng)滿足對(duì)自動(dòng)加料機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制和手動(dòng)調(diào)節(jié)。（4）生產(chǎn)能耗統(tǒng)計(jì)：對(duì)生產(chǎn)過程中能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，顯示每個(gè)批次的能耗和生產(chǎn)過程中的總能耗。（5）故障響應(yīng)和提示：控制系統(tǒng)能夠?qū)υO(shè)備出現(xiàn)的故障如加熱電流異常、電動(dòng)機(jī)異常、電磁閥異常、加料部件異常、溫度傳感器異常等故障快速響應(yīng)和處理，在觸摸屏上給出每個(gè)故障的文字描述。（6）用戶權(quán)限：控制系統(tǒng)需設(shè)置有3個(gè)用戶，分別是管理人員、調(diào)試人員、操作人員?？刂葡到y(tǒng)內(nèi)的所有參數(shù)需分配權(quán)限，擁有相應(yīng)權(quán)限的人員方可更改生產(chǎn)參數(shù)。

1.2 方案描述

（1）全新設(shè)計(jì)的擠出機(jī)控制系統(tǒng)采用西門子S7-1200系列小型PLC，使用西門子SM 1238電能模塊進(jìn)行電能采集，使用熱電偶模塊SM 1231 AI8×TC進(jìn)行6通道溫度采集，使用數(shù)字量輸出模塊DQ 16×24VDC進(jìn)行外圍設(shè)備的控制。使用一塊KTP 900 Basic PN的觸摸屏作為人機(jī)界面，在人機(jī)界面上可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、手動(dòng)操作以及自動(dòng)運(yùn)行過程監(jiān)視。

（2）控制系統(tǒng)通過溫度采集模塊對(duì)6個(gè)區(qū)域的模具溫度進(jìn)行周期性采集，PLC周期性調(diào)用PID_Temp功能塊對(duì)采集到的溫度和設(shè)定溫度進(jìn)行計(jì)算，輸出周期固定的脈沖信號(hào)給數(shù)字量輸出點(diǎn)。數(shù)字量輸出點(diǎn)外接固態(tài)繼電器對(duì)加熱圈進(jìn)行控制，通過周期固定的間歇性加熱來調(diào)整各個(gè)區(qū)域的模具溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近。由于擠出機(jī)模具加熱具有較大的滯后，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試需要較長(zhǎng)的時(shí)間，因此我們?cè)诳刂葡到y(tǒng)的內(nèi)部預(yù)設(shè)了可以穩(wěn)定生產(chǎn)的PID參數(shù)。在設(shè)備調(diào)試的過程中，用戶可以根據(jù)自身的需求進(jìn)行PID參數(shù)的自整定或者手動(dòng)調(diào)整。

（3）擠出機(jī)控制系統(tǒng)配置了一塊9英寸觸摸屏，設(shè)計(jì)有手動(dòng)操作畫面、自動(dòng)操作畫面、參數(shù)調(diào)整畫面、高級(jí)參數(shù)畫面、歷史報(bào)警畫面、用戶管理畫面等，用戶可以根據(jù)不同的任務(wù)打開不同的畫面進(jìn)行操作。所有的參數(shù)都可以在觸摸屏上進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)進(jìn)行區(qū)域性劃分，功能相關(guān)的參數(shù)被放置在同一個(gè)區(qū)域，參數(shù)設(shè)置更加直觀，相同功能的參數(shù)可以集中進(jìn)行設(shè)置。手動(dòng)畫面和自動(dòng)畫面分開。在手動(dòng)畫面可以進(jìn)行基本調(diào)整操作，觀察設(shè)備的基本狀況；在自動(dòng)畫面可以查看自動(dòng)運(yùn)行過程中的溫度、計(jì)時(shí)、壓力等數(shù)據(jù)。手動(dòng)調(diào)整更加方便、易用，自動(dòng)運(yùn)行數(shù)據(jù)查看更加直觀（見圖1）。

圖1 自動(dòng)監(jiān)控畫面

（4）擠出機(jī)控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)了幾乎所有可能出現(xiàn)的設(shè)備故障進(jìn)行提示和記錄：如溫度傳感器故障、加熱圈電流異常、電動(dòng)機(jī)故障、自動(dòng)過程中各電磁閥運(yùn)行異常、自動(dòng)加料裝置異常、料筒物料不足、溫度不在范圍內(nèi)、溫度過高或者過低等。所有的報(bào)警采用彈出式對(duì)話框的形式，當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)報(bào)警后，觸摸屏?xí)詣?dòng)彈出報(bào)警窗口，顯示當(dāng)前報(bào)警的內(nèi)容、報(bào)警確認(rèn)的狀態(tài)。報(bào)警解除后，操作人員必須手動(dòng)確認(rèn)報(bào)警，報(bào)警窗口才會(huì)關(guān)閉，確保設(shè)備運(yùn)行過程中人機(jī)安全。

（5）控制系統(tǒng)配置了電能模塊SM1238 Energy Meter，模塊直接插裝在PLC CPU右側(cè)。通過該模塊可以將能耗數(shù)據(jù)精確到設(shè)備級(jí)別，實(shí)現(xiàn)每個(gè)批號(hào)的能耗統(tǒng)計(jì)，方便生產(chǎn)成本的統(tǒng)計(jì)。對(duì)公司配電安排上也給予了一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)支持。通過編寫合適的程序，我們可以計(jì)算出每一個(gè)電加熱圈的實(shí)時(shí)電流。在生產(chǎn)過程中通過實(shí)時(shí)監(jiān)視電加熱圈和電動(dòng)機(jī)等用電設(shè)備的電流來判斷用電設(shè)備是否正常?？刂葡到y(tǒng)可以在幾秒內(nèi)診斷出設(shè)備電流的異常并給出報(bào)警等處理，防止設(shè)備進(jìn)一步損壞（見圖2）。

圖2 電能監(jiān)視畫面

（6）控制系統(tǒng)配置了拉繩式位置尺，位置尺可以精確地測(cè)量出PTFE擠出管的長(zhǎng)度。在自動(dòng)生產(chǎn)過程中控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)產(chǎn)品的長(zhǎng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如果產(chǎn)品的長(zhǎng)度達(dá)到用戶設(shè)定的數(shù)值，設(shè)備將會(huì)暫停生產(chǎn)，并且給出文字和聲音提示，操作人員可以進(jìn)行下料操作。不再需要操作人員拿著卷尺逐臺(tái)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。位置尺也為我們產(chǎn)量和效率的統(tǒng)計(jì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過它可以統(tǒng)計(jì)每天的產(chǎn)量和效率。利用位置尺可以計(jì)算出自動(dòng)生產(chǎn)過程中擠出管加工的速度，把實(shí)際的生產(chǎn)速度和理想速度進(jìn)行比較，方便調(diào)整擠出機(jī)每個(gè)動(dòng)作的節(jié)拍，使實(shí)際速度接近于理想速度，做出性能更好的產(chǎn)品。

（7）控制系統(tǒng)配置了一臺(tái)工業(yè)交換機(jī)，每臺(tái)設(shè)備都留有遠(yuǎn)程監(jiān)控的接口，通過電腦端安裝監(jiān)控程序，在車間管理人員的辦公室可以看到每臺(tái)設(shè)備的生產(chǎn)狀況。監(jiān)控電腦記錄了每臺(tái)設(shè)備的溫度、壓力等主要工藝數(shù)據(jù)，可以對(duì)每批產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行追溯。

（8）設(shè)備預(yù)設(shè)有20組常用工藝參數(shù)，調(diào)試人員可以根據(jù)不同批次的原料或者不同的產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，再次生產(chǎn)相同規(guī)格的產(chǎn)品可以直接調(diào)用該產(chǎn)品的工藝參數(shù)，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況修改后使用。

（9）設(shè)備配置了比例溢流閥和比例閥放大板，利用系統(tǒng)集成的PID功能塊，通過壓力傳感器采集擠出機(jī)擠壓油缸的實(shí)際壓力進(jìn)行閉環(huán)控制，可以把擠出壓力平穩(wěn)地控制在設(shè)定范圍內(nèi)。我們?cè)跀D出機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)增加了壓力線性曲線，壓力上升和下降的過程可以根據(jù)需要的斜率進(jìn)行設(shè)置，在生產(chǎn)過程中壓力平穩(wěn)變化，無抖動(dòng)現(xiàn)象。根據(jù)動(dòng)作的不同我們把壓力進(jìn)行了細(xì)分，每個(gè)動(dòng)作不同階段給定的壓力都是可以設(shè)定的，有效地避免了生產(chǎn)過程中壓力沖擊。采用比例溢流閥的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是省去了數(shù)個(gè)減壓閥，簡(jiǎn)化了液壓站的結(jié)構(gòu)。

2 討論

（1）目前大部分PTFE管擠出機(jī)設(shè)備采用溫控儀表對(duì)溫度控制，溫度調(diào)整不便，需掌握基礎(chǔ)操作的人員方可調(diào)整。儀表的參數(shù)不能按工藝限定設(shè)定值范圍。模具溫度是否在合理的范圍內(nèi)，設(shè)備都可以開機(jī)，這樣的做法在流程上是不被允許的。新開發(fā)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有觸摸屏用戶權(quán)限，只有擁有權(quán)限的用戶才可改動(dòng)參數(shù)。需要設(shè)置的參數(shù)都被設(shè)定了上下限，不在范圍的數(shù)據(jù)不能被寫進(jìn)控制器，確保設(shè)備運(yùn)行安全。

（2）目前大部分PTFE擠出管設(shè)備沒有自動(dòng)加料控制系統(tǒng)，如果要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加料控制，需另外增加一個(gè)控制電箱，增加成本，影響設(shè)備的整體性，自動(dòng)加料的調(diào)整和參數(shù)設(shè)置又增加了一個(gè)分散的設(shè)置點(diǎn)。新開發(fā)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自動(dòng)加料控制程序，只需配合簡(jiǎn)單的接線即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加料。自動(dòng)加料的相關(guān)參數(shù)也可在觸摸屏中設(shè)置，省去了配置自動(dòng)加料電箱的成本，設(shè)備看起來也更美觀。

（3）目前大部分PTFE擠出管設(shè)備沒有加熱圈電流異常、電動(dòng)機(jī)異常和溫度傳感器異常等報(bào)警提示。設(shè)備也未能給出相關(guān)故障點(diǎn)提示，維修人員到現(xiàn)場(chǎng)后只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行診斷維修。新的控制系統(tǒng)配置有完善的報(bào)警功能，所有的報(bào)警都有詳細(xì)的文字提示，并指出可能出現(xiàn)問題的地方，這樣操作人員或維修人員可以根據(jù)提示很快找到故障點(diǎn)進(jìn)行維修，大幅度減少因故障停機(jī)的時(shí)間。

（4）在新的控制系統(tǒng)里，我們給模具的實(shí)際溫度設(shè)置了3個(gè)不同的背景色，溫度在范圍內(nèi)背景色是綠色，溫度高于設(shè)定范圍背景色是紅色，溫度低于設(shè)定范圍背景色是黃色。操作人員可以很直觀地判斷生產(chǎn)過程中溫度是否正常。

（5）傳統(tǒng)的加料機(jī)構(gòu)使用普通電機(jī)，通過定時(shí)器設(shè)定一個(gè)時(shí)間來完成加料動(dòng)作，加料圈數(shù)和加料位置都不能保證。加料轉(zhuǎn)速不能設(shè)置，對(duì)于大顆粒的粉料，轉(zhuǎn)速太高會(huì)破壞粉料的分布情況。新的控制系統(tǒng)里，我們采用了全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)控制加料機(jī)構(gòu)。我們可以設(shè)置加料的轉(zhuǎn)速和加料的圈數(shù)，可以根據(jù)粉料批次或者顆粒的不同設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速和圈數(shù)來保證每次加料的一致性。伺服電機(jī)自帶編碼器，可以保證加料機(jī)構(gòu)每次停止在固定的位置，保證料盤內(nèi)料位高度的一致性。

3 結(jié)語

車間對(duì)整套系統(tǒng)使用情況很滿意，操作人員可以很快上手，操作簡(jiǎn)單、提示直觀。客戶在審核過程中也表示了對(duì)該控制方案的認(rèn)可。