吳  農  曾  正  師燕燕  馬建平  王芝杰

（天華化工機械及自動化研究設計院， 蘭州  730060）

摘 要：采用貝加萊B&R 2000系列PCC實現(xiàn)對同向雙螺桿塑料擠出機、雙轉子連續(xù)混煉機的控制。本文對該控制系統(tǒng)的組成和控制技術進行了分析，并對其中的關鍵技術和難點進行了論述。

關鍵詞：PCC； 雙螺桿塑料擠出機； 控制系統(tǒng)

中圖分類號：         文獻標識碼：B

abstract:  The control system of Twin-srew extruders and  Twin-rotor continous mixers have been realized by the application of B&R 2000 series PCC. The configuration and  control technique have been  analyzed in this article,the major techniques and difficulties in this control system have been illustrated and discussed as well.

 

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、強大的網絡架構和I/O總線通訊能力等優(yōu)勢，廣泛地應用于多種工業(yè)領域。如橡塑機械、化工裝備、紡織機械、印刷機械、包裝機械等，并正在向越來越多的工業(yè)領域發(fā)展。在橡塑機械領域中，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；PLC控制模式可實現(xiàn)一般的邏輯連鎖和順序控制；PCC控制模式由于采用了實時多任務操作系統(tǒng)，提供了多個具有不同循環(huán)時間及不同優(yōu)先級的任務等級，因此它將應用程序的掃描周期與外部的控制周期相區(qū)別，真正滿足實時控制的要求。并且使用Automation Studio編程開發(fā)環(huán)境具有強大的硬件組態(tài)能力，包括梯形圖LAD、指令表IL、結構文本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在橡塑機械領域的應用提供了極大地方便。

 

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

圖1  同向雙螺桿塑料擠出機構成

原料和添加劑從給料斗經喂料系統(tǒng)進入塑料擠出機，物料通過溫控系統(tǒng)以合適的溫度在擠出機中熔融混煉，由液壓換網系統(tǒng)和真空系統(tǒng)去除雜質和廢氣，混煉后的樹脂熔體在一定壓力下通過造粒模板被擠出，經冷卻、切粒輸送至料倉。主驅動電機轉速、喂料機轉速和切粒機的轉速均可根據(jù)生產能力調節(jié)控制。

 

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

控制系統(tǒng)的構成如圖2所示。
 

圖2  同向雙螺桿塑料擠出機控制系統(tǒng)的構成

控制系統(tǒng)采用IPC+PLC（即PCC）的控制方式，上位機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)場的測溫熱電偶、壓力傳感器、扭矩傳感器、接近開關、限位開關等相連接，接收和控制相應的執(zhí)行機構。雙螺桿主驅動電機、喂料機、切粒機的轉速調節(jié)通過IF622模塊的RS485通訊口，采用MODBUS通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)轉速控制。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。

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

喂料機、切粒機及其它輔機的調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)調運行。

 

下位機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、功能強大，可以方便地對硬件進行組態(tài)，也可以使用一種或多種編程語言進行軟件編程。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)調試極為方便。
 

圖3  下位機AS組態(tài)畫面

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

上位機采用北京亞控科技公司研發(fā)的基于工業(yè)網絡平臺的組態(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  上位機雙螺桿擠出機組態(tài)的運行畫面

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

軟件編程主要針對以下幾點：

（1） 人機對話界面：可實時顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)；對系統(tǒng)設備進行控制操作；并可根據(jù)需要顯示和設置系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)、報警內容、修改工藝配方、實時趨勢圖、歷史報表等。見圖4。

（2） 溫度控制：溫度控制由循環(huán)任務1（Cyclic #1 -【10ms】）和循環(huán)任務3（Cyclic #3 -【500ms】）的應用程序完成（C語言編寫）。包括雙回路智能化PID控制器運算和加熱/冷卻脈寬輸出運算，利用PCC分時多任務特點，將PID調節(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±1℃。可讀取各區(qū)實際溫度、加熱/冷卻狀態(tài)并在觸摸屏上顯示、修改溫度設定值、PID參數(shù)等。

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

（4） 通訊控制：主要包括PCC與IPC及PCC與直流調速器、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撲結構的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，進行數(shù)據(jù)交換。

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

 

在控制系統(tǒng)設計及開發(fā)過程中，實現(xiàn)的功能及技術要點主要有：

（1） 通過MODBUS方式實現(xiàn)PCC與直流調速器、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溫度控制是控制系統(tǒng)的關鍵技術之一。控制的質量及穩(wěn)定性將直接影響到混煉造粒的工藝流程和最終產品的質量。采用積木式機筒，多個溫控區(qū)分別進行精確溫度控制，PID加熱/冷卻雙向控制，控制精度可達±1℃，確保同向雙螺桿擠出機的正常運行。

（3） 功能豐富的系統(tǒng)狀態(tài)及系統(tǒng)參數(shù)實時監(jiān)控，各種參數(shù)實時修改。主機轉速、喂料機轉速、切粒機轉速及其它調速設備實時調節(jié)。

（4） 系統(tǒng)具有完善的保護功能及整機工藝控制聯(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，保護設備。

（5） 由于PCC采用了模塊化結構，所以配置靈活方便；控制系統(tǒng)上的Ethernet網絡接口和主從站結構方式，非常便于系統(tǒng)擴充和升級，并實現(xiàn)群控。

（6） 抗干擾設計是控制系統(tǒng)中的主要內容之一。如強電弱電隔離、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)的可靠運行。此外PCC各模塊對I/O接口電路都采用了光電隔離技術，可有效抑制干擾信號。

（7） 通過基于Web的上位機組態(tài)軟件HTML格式向網絡發(fā)布工程，使用標準的瀏覽器（如IE），可以實時地查看圖形顯示，歷史曲線，報警信息，同時根據(jù)權限進行報警應答，變量修改等操作。輕松實現(xiàn)遠程查詢、遠程故障診斷與故障處理。

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

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

 

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)和過程也較復雜。采用PCC后，整個控制系統(tǒng)在先進性、可靠性、控制精度和功能諸多方面都達到了較高的水平，保證了擠出機的運行穩(wěn)定、安全可靠。目前，基于PCC研制的同向雙螺桿塑料擠出機、雙轉子連續(xù)混煉機和雙階擠出機，在國內外已經成功應用了數(shù)十臺（套）。

 

參考文獻

1.      齊蓉、肖維榮.可編程計算機控制器原理及應用.西北工業(yè)大學出版社.2002

2.      B&R2000高級編程技術.貝加萊培訓教程.2003

3.      天華院. Operating Manual for SHJ-72 Twin-Screw Extruder.2006

4.      研華科技.PPC-126T用戶操作手冊.2006

5.      亞控科技.組態(tài)王用戶手冊（6.5.1.1）.2005

作者簡介

吳 農 （1961- ），男，江蘇宜興人，高級工程師，主要研究方向為工業(yè)電氣及儀表自動化控制。