PCC在同向雙螺桿擠出機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　0 引言

　　PCC以其豐富的編程語言、靈活的模塊化組合方式、可靠的性能、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和I/O總線通訊能力等優(yōu)勢，廣泛地應(yīng)用于多種工業(yè)領(lǐng)域。如橡塑機(jī)械、化工裝備、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械等，并正在向越來越多的工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展。在橡塑機(jī)械領(lǐng)域中，目前控制系統(tǒng)的控制方式主要有傳統(tǒng)的繼電器控制模式、PLC控制模式、PCC控制等模式;此外、大型裝置多采用DCS集散控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的繼電器控制模式的優(yōu)勢在于其良好的性價比及發(fā)展多年的成熟技術(shù);PLC控制模式可實(shí)現(xiàn)一般的邏輯連鎖和順序控制;PCC控制模式由于采用了實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)，提供了多個具有不同循環(huán)時間及不同優(yōu)先級的任務(wù)等級，因此它將應(yīng)用程序的掃描周期與外部的控制周期相區(qū)別，真正滿足實(shí)時控制的要求。并且使用Automation Studio編程開發(fā)環(huán)境具有強(qiáng)大的硬件組態(tài)能力，包括梯形圖LAD、指令表IL、結(jié)構(gòu)文本ST、順序功能圖SFC及高級語言Automation BASIC、Ansi C等多種編程工具，使得PCC的組態(tài)及編程簡單明了。這些都為PCC在橡塑機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用提供了極大地方便。

　　1. 同向雙螺塑料擠出機(jī)的工作原理

　　同向雙螺桿塑料擠出機(jī)主要由驅(qū)動系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、主機(jī)混煉系統(tǒng)、喂料系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、切粒系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)及輔機(jī)系統(tǒng)等部分組成(見圖1)。

　　圖1 同向雙螺桿塑料擠出機(jī)構(gòu)成

　　原料和添加劑從給料斗經(jīng)喂料系統(tǒng)進(jìn)入塑料擠出機(jī)，物料通過溫控系統(tǒng)以合適的溫度在擠出機(jī)中熔融混煉，由液壓換網(wǎng)系統(tǒng)和真空系統(tǒng)去除雜質(zhì)和廢氣，混煉后的樹脂熔體在一定壓力下通過造粒模板被擠出，經(jīng)冷卻、切粒輸送至料倉。主驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速、喂料機(jī)轉(zhuǎn)速和切粒機(jī)的轉(zhuǎn)速均可根據(jù)生產(chǎn)能力調(diào)節(jié)控制。

　　2. 同向雙螺桿塑料擠出機(jī)控制系統(tǒng)的組成

　　本文以出口美國的SHJ-72型同向雙螺桿塑料擠出機(jī)控制系統(tǒng)為例做一闡述。

　　控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。

　　圖2 同向雙螺桿塑料擠出機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

　　控制系統(tǒng)采用IPC+PLC(即PCC)的控制方式，上位機(jī)IPC為研華的一體化工作站(也可采用貝加萊公司的PROVIT系列工業(yè)級PC，其它品牌的一體化工作站或平板電腦)構(gòu)成，主要用于數(shù)據(jù)處理、HMI監(jiān)控及組態(tài)編程，它通過IF622模塊的RS232通訊口與PCC通訊。PCC是整個控制系統(tǒng)的核心，主要完成數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)采集和邏輯控制。它通過AT660、DI476、DI486、DO486、DO650、AM051等B&R2005I/O模塊與溫控固態(tài)繼電器、電磁閥及現(xiàn)場的測溫?zé)犭娕肌毫鞲衅鳌⑴ぞ貍鞲衅鳌⒔咏_關(guān)、限位開關(guān)等相連接，接收和控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。雙螺桿主驅(qū)動電機(jī)、喂料機(jī)、切粒機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通過IF622模塊的RS485通訊口，采用MODBUS通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。通過此法可減少許多硬接線，減輕安裝工作量，降低成本，同時可大大提高系統(tǒng)的可靠性。

　　雙螺桿主驅(qū)動負(fù)載為恒扭矩特性，因此多數(shù)情況下使用直流電機(jī)，其轉(zhuǎn)速控制通常用全數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)。目前，隨著電子技術(shù)及控制技術(shù)的發(fā)展，已有許多雙螺桿塑料擠出機(jī)采用了矢量控制變頻調(diào)速方式。

　　喂料機(jī)、切粒機(jī)及其它輔機(jī)的調(diào)速均可通過變頻器完成速度控制，使之滿足工藝要求，并保證協(xié)調(diào)運(yùn)行。

　　3. 軟件編程的實(shí)現(xiàn)

　　下位機(jī)PCC使用貝加萊公司的Automation Studio編程開發(fā)環(huán)境，組態(tài)、編程靈活、功能強(qiáng)大，可以方便地對硬件進(jìn)行組態(tài)，也可以使用一種或多種編程語言進(jìn)行軟件編程。編程語言面向用戶，這使得控制程序的編程工作大大簡化，開發(fā)調(diào)試極為方便。

　　圖3 下位機(jī)AS組態(tài)畫面

　　首先根據(jù)所選PCC型號及模塊對硬件進(jìn)行組態(tài)。然后添加系統(tǒng)任務(wù)、功能庫和通訊固件。最后對不同的循環(huán)任務(wù)選擇適當(dāng)?shù)娜蝿?wù)周期時間，按照功能編寫應(yīng)用程序。圖3為已完成的雙螺桿塑料擠出機(jī)組態(tài)畫面。

　　上位機(jī)采用北京亞控科技公司研發(fā)的基于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)平臺的組態(tài)軟件平臺“組態(tài)王”Kingview6.51作為該系統(tǒng)的組態(tài)編程工具。組態(tài)畫面見圖4。

　　圖4 上位機(jī)雙螺桿擠出機(jī)組態(tài)的運(yùn)行畫面

　　由于PCC的所有程序及數(shù)據(jù)都在CPU上處理，它的I/O口都是在程序中調(diào)用的，所以編程時與硬件設(shè)備無關(guān)，因此編程極為容易。

　　軟件編程主要針對以下幾點(diǎn)：

　　(1) 人機(jī)對話界面：可實(shí)時顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài);對系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行控制操作;并可根據(jù)需要顯示和設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、報警內(nèi)容、修改工藝配方、實(shí)時趨勢圖、歷史報表等。見圖4。

　　(2) 溫度控制：溫度控制由循環(huán)任務(wù)1(Cyclic #1 -【10ms】)和循環(huán)任務(wù)3(Cyclic #3 -【500ms】)的應(yīng)用程序完成(C語言編寫)。包括雙回路智能化PID控制器運(yùn)算和加熱/冷卻脈寬輸出運(yùn)算，利用PCC分時多任務(wù)特點(diǎn)，將PID調(diào)節(jié)與加熱/冷卻輸出分時控制，并可根據(jù)優(yōu)化指令自動優(yōu)化PID參數(shù)，其控制精度可達(dá)±1℃。可讀取各區(qū)實(shí)際溫度、加熱/冷卻狀態(tài)并在觸摸屏上顯示、修改溫度設(shè)定值、PID參數(shù)等。

　　(3) 調(diào)速控制：主驅(qū)動電機(jī)為直流電機(jī)，選用英國歐陸公司的E590系列直流調(diào)速器。喂料機(jī)選用西門子、ABB、三菱、臺達(dá)等系列變頻器進(jìn)行調(diào)速控制。只需在數(shù)據(jù)任務(wù)(Data objects)的Datamod中定義好直流調(diào)速器及各種型號變頻器的MODBUS數(shù)據(jù)通訊格式，即可實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用程序中與設(shè)備無關(guān)的變量調(diào)用。操作時可在IPC觸摸屏上任意修改轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)主機(jī)、喂料機(jī)的精確速度給定。同時直流調(diào)速器、變頻器將電流、轉(zhuǎn)速等參數(shù)通過MODBUS通訊反饋給主PCC，并在觸摸屏上進(jìn)行顯示和進(jìn)行超限報警保護(hù)控制。

　　(4) 通訊控制：主要包括PCC與IPC及PCC與直流調(diào)速器、變頻器及其它智能儀表兩大部分。在通訊控制程序中采用主從站智能分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MODBUS總線通訊協(xié)議方式，將各種智能儀表以無格式方式與PCC建立通訊連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　(5) 聯(lián)鎖和邏輯控制：在循環(huán)任務(wù)4(Cyclic #4 -【500ms】)中通過使用梯形圖LAD或Automation BASIC語言完成的應(yīng)用程序的編寫。能夠根據(jù)系統(tǒng)工藝要求實(shí)現(xiàn)自動控制，完成完美的邏輯控制。

　　4. 功能的實(shí)現(xiàn)及技術(shù)要點(diǎn)

　　在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及開發(fā)過程中，實(shí)現(xiàn)的功能及技術(shù)要點(diǎn)主要有：

　　(1) 通過MODBUS方式實(shí)現(xiàn)PCC與直流調(diào)速器、變頻器及其它智能儀表數(shù)據(jù)通訊，即簡化了編程難度，又減少了硬接線，節(jié)約了成本、還提高了控制系統(tǒng)的可靠性。

　　(2) 同向雙螺桿塑料擠出機(jī)溫度控制是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。控制的質(zhì)量及穩(wěn)定性將直接影響到混煉造粒的工藝流程和最終產(chǎn)品的質(zhì)量。采用積木式機(jī)筒，多個溫控區(qū)分別進(jìn)行精確溫度控制，PID加熱/冷卻雙向控制，控制精度可達(dá)±1℃，確保同向雙螺桿擠出機(jī)的正常運(yùn)行。

　　(3) 功能豐富的系統(tǒng)狀態(tài)及系統(tǒng)參數(shù)實(shí)時監(jiān)控，各種參數(shù)實(shí)時修改。主機(jī)轉(zhuǎn)速、喂料機(jī)轉(zhuǎn)速、切粒機(jī)轉(zhuǎn)速及其它調(diào)速設(shè)備實(shí)時調(diào)節(jié)。

　　(4) 系統(tǒng)具有完善的保護(hù)功能及整機(jī)工藝控制聯(lián)鎖。出現(xiàn)過電流、過載及熔體壓力過高等異常情況時自動停機(jī)，保護(hù)設(shè)備。

　　(5) 由于PCC采用了模塊化結(jié)構(gòu)，所以配置靈活方便;控制系統(tǒng)上的Ethernet網(wǎng)絡(luò)接口和主從站結(jié)構(gòu)方式，非常便于系統(tǒng)擴(kuò)充和升級，并實(shí)現(xiàn)群控。

　　(6) 抗干擾設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)中的主要內(nèi)容之一。如強(qiáng)電弱電隔離、良好的接地系統(tǒng)、控制信號線采用屏蔽線、合理布線減少線間干擾等。確保控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。此外PCC各模塊對I/O接口電路都采用了光電隔離技術(shù)，可有效抑制干擾信號。

　　(7) 通過基于Web的上位機(jī)組態(tài)軟件HTML格式向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布工程，使用標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器(如IE)，可以實(shí)時地查看圖形顯示，歷史曲線，報警信息，同時根據(jù)權(quán)限進(jìn)行報警應(yīng)答，變量修改等操作。輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查詢、遠(yuǎn)程故障診斷與故障處理。

　　(8) 對程序稍加修改，既同樣適合于雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)和雙階擠出機(jī)的控制。

　　(9) 對控制點(diǎn)數(shù)較少的控制系統(tǒng)，為降低成本，增強(qiáng)市場競爭，也可使用B&R2003系列PCC。

　　5. 結(jié)束語

　　根據(jù)上述對整個控制系統(tǒng)的分析闡述，我們可知同向雙螺桿擠出機(jī)控制系統(tǒng)對自動化程度要求較高，控制環(huán)節(jié)和過程也較復(fù)雜。采用PCC后，整個控制系統(tǒng)在先進(jìn)性、可靠性、控制精度和功能諸多方面都達(dá)到了較高的水平，保證了擠出機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠。目前，基于PCC研制的同向雙螺桿塑料擠出機(jī)、雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)和雙階擠出機(jī)，在國內(nèi)外已經(jīng)成功應(yīng)用了數(shù)十臺(套)。