超薄聚酯廢膜回收及喂料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（中原工學(xué)院，鄭州 451191）

0 引言

廢膜回收系統(tǒng)在聚酯薄膜生產(chǎn)中占有重要的地位。某電子材料公司生產(chǎn)的電容器用超薄聚酯薄膜厚度在2.4～12μm，質(zhì)量輕，厚度薄。在薄膜拉伸和卷繞過程中會產(chǎn)生部分廢料。聚酯廢膜的回收利用減少了企業(yè)成本，同時避免了對環(huán)境和大氣的污染，有效地保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。當(dāng)前的廢料回收系統(tǒng)大部分針對厚膜，在電容器超薄膜碎膜回收中，由于超薄膜碎片的物理和化學(xué)特性，碎膜料倉經(jīng)常會出現(xiàn)“架橋”、阻滯現(xiàn)象，導(dǎo)致后續(xù)造粒機(jī)喂料不連續(xù)，造成造粒系統(tǒng)停車或造粒機(jī)損壞，經(jīng)常需要人工干預(yù)。本文根據(jù)超薄膜廢料回收系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，設(shè)計(jì)了控制方案，達(dá)到了預(yù)期的效果。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及控制工藝說明

系統(tǒng)構(gòu)成及工藝如圖1所示。系統(tǒng)包括三個部分，即碎膜料倉、除塵機(jī)組和造粒機(jī)。其中，造粒機(jī)為單獨(dú)設(shè)備。在本系統(tǒng)中，需根據(jù)造粒機(jī)的啟動信號和要料量模擬值，控制為其喂料的速度，以維持造粒機(jī)料倉內(nèi)物料的基本平衡。碎膜料倉部分包括2個在線膜輸送信號、2個離線膜輸送信號、四個旋風(fēng)分離器對應(yīng)的電磁閥、料倉上下料位信號S1，S2、3臺攪拌電機(jī)M1-M3、一臺螺桿推進(jìn)電機(jī)M4、一個物料溢出檢測器件S3（用于檢測造粒機(jī)喂料溢出）組成。除塵機(jī)組部分中M5為引風(fēng)風(fēng)機(jī)；造粒機(jī)中M6為螺桿電機(jī)、M7為切割壓實(shí)電機(jī)。除塵機(jī)組中，要對除塵機(jī)組進(jìn)行起停控制，對引風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)量控制。

圖1 系統(tǒng)組成及工藝圖

系統(tǒng)的主要控制任務(wù)有三個，第一是根據(jù)生產(chǎn)需要，自動啟動廢膜回收動作，并盡可能保證碎膜料倉中碎膜不“架橋”、不阻滯，第二是自動根據(jù)造粒機(jī)開機(jī)情況為其自動喂料，并根據(jù)造粒機(jī)需求，自動調(diào)整喂料量，保障造粒機(jī)的正常生產(chǎn)。第三是根據(jù)系統(tǒng)廢料輸送風(fēng)機(jī)開啟情況，控制除塵機(jī)組的起停和引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，從而保證系統(tǒng)機(jī)能保證除塵效果，又不把廢料引入除塵機(jī)組。為滿足系統(tǒng)調(diào)試和某些情況下手動開車的需要，設(shè)制手動和自動控制兩種控制模式。手動時，各個設(shè)備可以單獨(dú)啟停；自動時，根據(jù)系統(tǒng)自動控制程序自動啟停各個設(shè)備。

2 系統(tǒng)總體控制方案

根據(jù)系統(tǒng)的控制需要，本系統(tǒng)由西門子新型可編程控制器S7-1214C配合485通訊模塊、MM4系列變頻器、及觸摸屏構(gòu)成控制系統(tǒng)。其中，觸摸屏與PLC采用以太網(wǎng)通訊，用于設(shè)定系統(tǒng)的參數(shù)，監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)以及記錄報警數(shù)據(jù)等；PLC為系統(tǒng)的處理核心，完成現(xiàn)場設(shè)備信號采集和控制。現(xiàn)場變頻器與S7-1200擴(kuò)展的485通訊模塊進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)PLC對變頻器的控制和參數(shù)讀寫以及現(xiàn)場造粒機(jī)要料模擬信號的數(shù)據(jù)取樣。

造粒機(jī)要料模擬量信號來自于造粒機(jī)，由于造粒機(jī)是連續(xù)生產(chǎn)的，因此，必須保證造粒機(jī)壓實(shí)料倉物料的連續(xù)性。當(dāng)壓實(shí)料倉物料不能滿足生產(chǎn)需要時，造粒機(jī)拉條會變細(xì)甚至斷料；當(dāng)壓實(shí)料倉物料過多時，會造成物料堆積，造成溫度過高，物料結(jié)塊[1]。現(xiàn)場造粒機(jī)采用智能儀表，根據(jù)壓實(shí)電機(jī)的實(shí)際功率與設(shè)定功率相比較，當(dāng)壓實(shí)電機(jī)實(shí)際功率大于設(shè)定功率時，智能儀表要料模擬值按照內(nèi)部計(jì)算輸出模擬量（4～20mA）減小；當(dāng)壓實(shí)電機(jī)實(shí)際功率小于設(shè)定功率時，智能儀表要料模擬輸出值減小。本設(shè)計(jì)中，將造粒機(jī)要料模擬值信號連接到變頻器的模擬量輸入口，PLC通過USS協(xié)議對該模擬值進(jìn)行數(shù)據(jù)取樣，用于變頻器輸出頻率控制及給料系統(tǒng)狀態(tài)判斷。

圖2 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含變頻器參數(shù)設(shè)置、觸摸屏人機(jī)界面設(shè)計(jì)和下位機(jī)PLC程序設(shè)計(jì)。其中人機(jī)界面設(shè)計(jì)和PLC程序設(shè)計(jì)兩部分均在西門子全集成自動化軟件TIA Portal中進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)的硬件和網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，HMI與CPU通過Priofinet相連，兩端的IP地址需要分配在同一個網(wǎng)段。

圖3 系統(tǒng)硬件和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)

3.1 變頻器的選型和參數(shù)設(shè)置

根據(jù)系統(tǒng)工藝要求，需要對兩臺電機(jī)分別進(jìn)行變頻調(diào)速，但是其工藝要求不同，所用的變頻器參數(shù)也不一樣。如果變頻器選擇不當(dāng)或參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，會影響系統(tǒng)的性能，甚至不能正常運(yùn)行。根據(jù)兩臺電機(jī)的工藝控制需要，5.5kW的螺桿推進(jìn)電機(jī)變頻器選型為MM440矢量變頻器，型號為6SE6440-2UD25-5CA1。7.5kW的引風(fēng)機(jī)選型為MM430風(fēng)機(jī)泵類專用變頻器，訂貨號為6SE6430-2UD27-5CA1。兩臺變頻器通過USS通訊方式與PLC進(jìn)行通訊，PLC擴(kuò)展CM 1241（RS485）模塊，模塊端口組態(tài)的波特率應(yīng)與變頻器設(shè)置的波特率一致。

螺桿推進(jìn)電機(jī)由于長期工作于變頻狀態(tài)，螺桿送料時，碎膜通過螺桿壓實(shí)，需要有較大的扭矩。尤其在低頻狀態(tài)，螺桿推進(jìn)電機(jī)依然需要保持較大的扭矩輸出，因此，該電機(jī)變頻器采用無速度傳感器的矢量控制模式。

引風(fēng)電機(jī)工作于V/F控制模式，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況，實(shí)時調(diào)整引風(fēng)機(jī)頻率，使除塵機(jī)組進(jìn)口工作于微負(fù)壓狀態(tài)，以保證將灰塵引入除塵機(jī)組，又不讓廢膜吸入。

兩臺電機(jī)對應(yīng)的變頻器主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面設(shè)計(jì)，主要包括主畫面、設(shè)備操作與狀態(tài)畫面、報警記錄畫面、用戶管理畫面、手動操作畫面等。其中，設(shè)備操作與狀態(tài)畫面可以顯示系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)、輸入定時攪拌參數(shù)、三臺攪拌電機(jī)的攪拌時間，可以查看螺桿電機(jī)及引風(fēng)電機(jī)的工作電流和頻率等。報警畫面可以根據(jù)系統(tǒng)之前組態(tài)的報警顯示和記錄報警情況。手動操作畫面可以根據(jù)系統(tǒng)需要，手動操作各個設(shè)備的起停等。本設(shè)計(jì)中，人機(jī)界面采用西門子的KTP600 basic color PN。該觸摸屏為西門子開發(fā)的精簡系列面板，經(jīng)濟(jì)可靠。可以與S7-1200通過TIA Portal直接進(jìn)行組態(tài)。人機(jī)界面主畫面如圖4所示。

表1 變頻器參數(shù)設(shè)置

圖4 人機(jī)界面主畫面

3.3 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的核心部分。系統(tǒng)分為手動模式和自動模式，由控制柜上工作模式旋鈕做出選擇，PLC根據(jù)選擇結(jié)果自動切換工作模式，觸摸屏自動顯示系統(tǒng)工作模式狀態(tài)。手動模式下，通過觸摸屏手動起停現(xiàn)場設(shè)備。自動模式下，系統(tǒng)自動根據(jù)遠(yuǎn)端廢膜輸送狀態(tài)起停除塵機(jī)組，自動調(diào)整引風(fēng)機(jī)頻率；根據(jù)造粒機(jī)要料信號和要料模擬值的大小起停和改變螺桿電機(jī)的頻率，當(dāng)要料模擬值在正常范圍時，系統(tǒng)采用定時攪拌模式，當(dāng)要料模擬值大于設(shè)定值時，啟動自動攪拌程序，保障系統(tǒng)供料的連續(xù)。系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)流程圖

圖6 系統(tǒng)自動攪拌流程圖

【】【】

由于輕質(zhì)超薄膜的特性，碎膜料倉中碎膜經(jīng)常出現(xiàn)碎片“架橋”現(xiàn)象，為此，采用攪拌電機(jī)自動攪拌，分為定時攪拌和條件判斷兩種情況。正常工作時，采用定時攪拌；在出現(xiàn)造粒機(jī)要料模擬值大于設(shè)定值時，判定為供料不足，產(chǎn)生“架橋”，啟動輪流攪拌模式。若仍出現(xiàn)“架橋”，判定為系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重“架橋”，啟動聲光報警，告知人工干預(yù)。系統(tǒng)自動攪拌程序流程圖如圖6所示。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)電容器用超薄聚酯廢膜回收喂料系統(tǒng)的特點(diǎn)和存在的問題，設(shè)計(jì)了基于S7-1200、變頻器、觸摸屏及工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，并介紹了系統(tǒng)的控制方案及軟件設(shè)計(jì)思路。在某電子材料公司的具體應(yīng)用中，大大減少了碎膜儲料料倉的“架橋”現(xiàn)象，使系統(tǒng)造粒供料連續(xù)穩(wěn)定，減少了人工成本，取得了良好的效果。

[1]屠嶺.切割壓實(shí)輸送設(shè)備在塑料薄膜回收中的應(yīng)用[J].南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2011,11(4):4.

[2]郭靜.高分子材料改性[M].中國紡織出版社,2009.1.