一種塑料管材擠出生產(chǎn)線設(shè)備的控制

摘要：介紹了一種塑料管材擠出生產(chǎn)線設(shè)備的整線電氣控制，滿足其生產(chǎn)線設(shè)備的控制要求。分析了塑料管材擠出生產(chǎn)線的生產(chǎn)和控制工藝要求，特別是各設(shè)備控制的關(guān)鍵，以及整線設(shè)備之間的通訊連機(jī)和安全控制。提出了一套簡(jiǎn)潔并符合歐盟安全標(biāo)準(zhǔn)的整線設(shè)備接口方案，采用PLC新款產(chǎn)品進(jìn)行整線電氣控制并符合工業(yè)4.0的要求。指明了如何應(yīng)用西門子S7-1200和S7-200 Smart可編程控制器，根據(jù)實(shí)際控制需要合理配置，完成管材擠出生產(chǎn)線設(shè)備的電氣控制。

關(guān)鍵詞：管材擠出生產(chǎn)線、可編程控制器、Profinet通訊、工業(yè)4.0、組合式接插件

ABSTRACT： This paper introduces the whole electrical control of the extrusion line for plastic pipes， which meets the control requirements of whole extrusion line. The production and control process requirements of plastic pipe extrusion line are analyzed， especially the key points of equipment control， as well as the communication connection and safety control between equipment. This paper presents a concise interface scheme for the whole line equipment which meets the EU safety standards. The new PLC products are used for electrical control of the whole line and meet the requirements of industry 4.0. It points out how to use Siemens S7-1200 and S7-200 Smart programmable controllers to configure reasonably and complete the electrical control of pipe extrusion line.

Key words： pipe extrusion line， programmable controller， Profinet communication， industrial 4.0， combined connector

1、引言

塑料管材擠出生產(chǎn)線設(shè)備用于制造塑料管材，原料為塑料粒料，產(chǎn)品主要為通水、通氣和通線纜等塑料管道。管材擠出行業(yè)跟我們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)，在整個(gè)塑料設(shè)備行業(yè)的市場(chǎng)，管材擠出生產(chǎn)線設(shè)備發(fā)展很快速[1]。但目前國(guó)內(nèi)的塑料管材生產(chǎn)線設(shè)備參齊不齊、檔次高低不一，整線安全急停保護(hù)欠缺或不達(dá)標(biāo)[2]。筆者介紹如何使用西門子可編程控制器，組成管材擠出生產(chǎn)線設(shè)備的單機(jī)工作和整線聯(lián)動(dòng)工作。

2、正文

2.1、管材擠出生產(chǎn)線設(shè)備組成及其工作

筆者僅對(duì)PE和PVC兩種工藝相近的塑料管材擠出生產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行探討。該管材擠出生產(chǎn)線設(shè)備主要由擠出機(jī)、擠出模頭、真空箱、水箱、牽引機(jī)、切割機(jī)和翻料架組成;以及輔機(jī)設(shè)備：上料機(jī)、干燥機(jī)和稱重系統(tǒng)等。管材擠出生產(chǎn)線的工作流程：原料干燥（干燥機(jī)）-送料（上料機(jī)）-加熱塑化擠出（擠出機(jī)+模頭，加配稱重系統(tǒng)）-管道冷卻和定型（真空箱）-管道充分冷卻（水箱）-管道拖拉和輸送（牽引機(jī)）-管道定長(zhǎng)切割（切割機(jī)）-管道儲(chǔ)存（翻料架）。

擠出機(jī)主要是把塑料粒料經(jīng)過機(jī)筒螺桿進(jìn)行加熱和塑化從模頭擠出管狀熔膠。變頻器對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速工作，經(jīng)過齒輪箱減速帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，完成塑化和擠出工作;使用溫度工藝PID對(duì)機(jī)筒和模頭進(jìn)行加熱冷卻控制。其中，螺桿擠出量精度跟擠出電機(jī)的轉(zhuǎn)速和螺桿每轉(zhuǎn)排量均有關(guān)，螺桿每轉(zhuǎn)排量誤差基本在1～3%左右，所以電機(jī)速度精度要達(dá)到5‰以內(nèi)即可;同時(shí)，擠出電機(jī)需要低速高扭矩輸出，通過變頻開環(huán)矢量控制模式能滿足其控制性能和精度要求。擠出機(jī)是生產(chǎn)線的終端，負(fù)責(zé)各單元之間的聯(lián)動(dòng)控制：多個(gè)擠出機(jī)之間、擠出機(jī)和牽引機(jī)之間的速度跟隨同步控制;稱重系統(tǒng)和擠出機(jī)的集成并聯(lián)動(dòng)工作等;對(duì)下游設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控等等。

牽引機(jī)通過驅(qū)動(dòng)履帶或皮帶，在線對(duì)管材進(jìn)行夾緊拖拉和輸送。管材線性壁厚精度跟牽引機(jī)的速度有關(guān)，而牽引速度精度又跟每個(gè)履帶的速度和扭矩一致性有關(guān)。牽引管材需要低速大扭矩輸出，牽引速度按工藝要求要達(dá)到1～2‰的精度。綜上所述，如何解決每個(gè)履帶電機(jī)的速度和扭矩一致性是牽引機(jī)控制的難點(diǎn)。目前行內(nèi)成熟的控制方案是一個(gè)倫茨驅(qū)動(dòng)器的84 Top Line系列同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)交流變頻電機(jī)或異步伺服電機(jī)。

切割機(jī)主要是要在線把管材切斷。其一是定長(zhǎng)切割工作，通過管材計(jì)米輪上的編碼器高速脈沖輸入，換算成實(shí)際管材當(dāng)前生產(chǎn)長(zhǎng)度，定長(zhǎng)輸出切割信號(hào)和翻料信號(hào)。其二是鋸臺(tái)工作，接收到切割信號(hào)后，鋸臺(tái)跟隨管材速度或位置同步隨動(dòng)，刀架旋轉(zhuǎn)并進(jìn)刀切割，把管道圓周切斷。鋸臺(tái)隨動(dòng)工作由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成，做凸輪曲線的位置隨動(dòng)追切工作;刀架旋轉(zhuǎn)的公轉(zhuǎn)電機(jī)使用變頻開環(huán)矢量控制模式驅(qū)動(dòng)。

2.2、管材擠出生產(chǎn)線設(shè)備控制

筆者介紹了兩臺(tái)擠出機(jī)共擠并各帶一個(gè)稱重系統(tǒng)，加上牽引機(jī)和切割機(jī)的整線通訊和控制。? S7-1200 CPU集成了一個(gè)PROFINET通信口，支持以太網(wǎng)和基于TCP/IP和UDP 的通信標(biāo)準(zhǔn)。該物理接口是支持10/100Mb/s的 RJ45口，支持電纜交叉自適應(yīng)。使用該通信口可以實(shí)現(xiàn)S7-1200 CPU與HMI觸摸屏的通信，與其它CPU之間的通信。作為生產(chǎn)線的終端，基于西門子S7協(xié)議，擠出機(jī)1的S7-1200 CPU同時(shí)跟擠出機(jī)2的S7-1200 CPU、牽引機(jī)的S7-200Smart CPU和切割機(jī)的S7-200Smart CPU進(jìn)行以太網(wǎng)通訊。CPU與CPU之間的數(shù)據(jù)訪問，使用“PUT/GET”。S7-1200的CPU之間可進(jìn)行4個(gè)DB數(shù)據(jù)塊的通訊讀寫， S7-1200和S7-200 Smart的CPU之間僅能進(jìn)行1個(gè)MD數(shù)據(jù)塊的通訊讀寫，范圍：MB0-MB32。S7-1200支持最多8個(gè)PUT/GET客戶端或服務(wù)器。

如圖2.2.1所示，S7-1200的CPU需要設(shè)置開發(fā)的功能，允許來自遠(yuǎn)程對(duì)象的PUT/GET通信訪問。

擠出機(jī)1對(duì)各單元進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫的通訊變量分別為：擠出機(jī)2的速度、溫度控制、稱重系統(tǒng)的米重和產(chǎn)能等設(shè)定和顯示的數(shù)據(jù)讀寫，熔溫、熔壓、扭矩、報(bào)警等實(shí)際值和狀態(tài)的數(shù)據(jù)讀取，電機(jī)、溫控等工作控制位的寫入;牽引機(jī)的速度設(shè)定和顯示的數(shù)據(jù)讀寫，運(yùn)行狀態(tài)、扭矩和報(bào)警等的數(shù)據(jù)讀取，啟動(dòng)和夾緊等工作控制位的寫入;切割機(jī)的定長(zhǎng)切割參數(shù)等的數(shù)據(jù)讀寫，運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警等的數(shù)據(jù)讀取。PROFINET通訊口是一個(gè)完全開發(fā)的接口，能把整個(gè)生產(chǎn)線的工藝參數(shù)和狀態(tài)，實(shí)時(shí)上傳給上位機(jī)，符合工業(yè)4.0的要求[3]。

如圖2.2.2所示，筆者提供了一套性價(jià)比高的管材擠出生產(chǎn)線設(shè)備的電氣控制方案[4-5]。其中，擠出機(jī)1使用第二代精簡(jiǎn)型12”觸摸屏作為HMI，除了該機(jī)的操控以外，其它設(shè)備的遠(yuǎn)程操作和工藝參數(shù)都集成在該畫面上;主要使用S7-1200系列PLC，通過Modbus RTU協(xié)議[6]跟ABB最新款變頻器ACS580做RS485通訊，控制擠出電機(jī)的速度;S7-1200使用以太網(wǎng)通訊連接并集成伊諾克斯稱重系統(tǒng)，稱重系統(tǒng)通過失重控制原理，對(duì)擠出螺桿速度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，把螺桿的擠出排量誤差從1～3%降低到1%以內(nèi)，大大減少原料的浪費(fèi);S7-1200內(nèi)置專業(yè)工藝溫度PID控制功能塊，控制機(jī)筒和模頭的加熱和冷卻，溫控精度達(dá)到1℃范圍以內(nèi);通過PLC的邏輯輸入輸出，采集本機(jī)及整線設(shè)備的工作狀態(tài)。以太網(wǎng)線和路由器組成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，連接本機(jī)和上下游設(shè)備之間的控制。擠出機(jī)2的控制工作和元件跟擠出機(jī)1的本機(jī)控制工作完全相同。牽引機(jī)的PLC選用S7-200 Smart，使用簡(jiǎn)易按鈕式面板作為人際界面;使用伺服級(jí)別的Lenze84 Top Line驅(qū)動(dòng)器，控制多個(gè)變頻電機(jī)或伺服電機(jī)，均在異步伺服閉環(huán)控制模式下進(jìn)行調(diào)速工作;跟S7-200 Smart之間通過Modbus RTU協(xié)議做RS485通訊。切割機(jī)的PLC和HMI跟牽引機(jī)相同;通過高速脈沖輸入，把計(jì)米輪上編碼器信號(hào)轉(zhuǎn)換為管材的在線生產(chǎn)長(zhǎng)度，通過比較設(shè)定并輸出切割和翻料動(dòng)作;通過Modbus RTU協(xié)議跟驅(qū)動(dòng)鋸臺(tái)刀架旋轉(zhuǎn)的ABB變頻器ACS355做RS485通訊;通過S7-200 Smart內(nèi)置的運(yùn)動(dòng)控制功能，輸出高速脈沖給臺(tái)達(dá)伺服驅(qū)動(dòng)器[7]，驅(qū)動(dòng)鋸臺(tái)走凸輪曲線的位置追切控制工作。

2.3、管材擠出生產(chǎn)線設(shè)備接口

塑料管材生產(chǎn)線設(shè)備的長(zhǎng)度很大，從前面到最后面基本都超過40米，各單元之間的連線和急停安全保護(hù)需要通過上下游設(shè)備接口來完成，需要考慮設(shè)備之間連接的簡(jiǎn)易性[8]。

如圖2.3所示，筆者提供了一種連接簡(jiǎn)潔、安全可靠的接口。上下游設(shè)備之間的通訊連接統(tǒng)一為以太網(wǎng)，下游設(shè)備的相關(guān)控制和工藝數(shù)據(jù)統(tǒng)一集中到擠出機(jī)1上。為提高安全保護(hù)，增加統(tǒng)一的整線安全急停回路;在任何一個(gè)設(shè)備上都可安全停止其它設(shè)備，以及在任何一個(gè)設(shè)備上都能進(jìn)行整線設(shè)備的急停復(fù)位，簡(jiǎn)單方便和安全可靠，符合歐盟對(duì)塑料管型材生產(chǎn)線設(shè)備與設(shè)備之間的安全防護(hù)要求。為了連接簡(jiǎn)易，采用組合式接插件，網(wǎng)線和急停回路6芯電纜共用一套接插件，降低配線和安裝工作量。采用相同一進(jìn)一出的方式，上下游設(shè)備的接口和連線是相同的，從前到后順序性地串聯(lián)起來，不會(huì)有任何分叉和交叉。

3、結(jié)語

綜上所述，筆者全面介紹了管材生產(chǎn)線的整線控制，詳細(xì)描述整線設(shè)備的工藝要求和控制關(guān)鍵，提供了性價(jià)比高并可靠的控制方案，給相關(guān)設(shè)備制造提供了一種可行的控制方案。由于過于考慮成本，牽引機(jī)和切割機(jī)只有簡(jiǎn)易按鈕操作面板，定長(zhǎng)切割等設(shè)置和操作被放在終端擠出機(jī)1上，存在一定程度上的操作不方便。在牽引機(jī)或切割機(jī)上增加一個(gè)觸摸屏作為HMI，將能解決前面提到的問題。

作者簡(jiǎn)介：譚劍浩 男、1979年2月、廣東四會(huì)、工學(xué)士、電氣設(shè)計(jì)及自動(dòng)化領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]? 張友根.“十二五”我國(guó)擠出成型設(shè)備科學(xué)發(fā)展的分析研究[J].塑料包裝， 2011，21（04）：11-17.

[2]? 張友根.擠出設(shè)備的現(xiàn)狀及調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的研究[J].上海塑料，2010（04）：25-33.

[3]? 穆慧靈. 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的電線生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)控制研究[D].內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2007.

[4]? 沈侃，孫麗娜.電氣控制與可編程序控制器的原理及應(yīng)用[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2018，45（01）：88.

[5]? 霍海波，尚飛.基于PLC的塑料擠出生產(chǎn)線集散控制系統(tǒng)的研究[J].塑料工業(yè)， 2016，44（03）：100-102+118.

[6]? 胡興文，吳耀興.Modbus通訊協(xié)議在電脫供給泵和ABB800xA系統(tǒng)通訊中的應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備，2019（01）：243-246.

[7]? S7-200PLC在伺服電機(jī)位置控制中的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2018，36（01）：17+127.

[8]? 王積森，李剛.關(guān)于EPIS控制系統(tǒng)在塑料管材生產(chǎn)線上的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化，?2003（03）：65-66.