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臺達自動化產品在同向雙螺桿擠出機上的應用

中達電通股份有限公司
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    摘要:本文針對雙螺桿擠出機設備的特點,利用臺達全套自動化產品,為客戶實現同向雙螺桿擠出機的全自動控制。此系統充分利用臺達各產品的強項,并用HMI和PLC將這此產品整合,達到強強聯合的效果。此套控制系統,構架巧妙,控制精度高,為客戶提供了一個性價比優異的控制方案。
    關鍵字:雙螺桿擠出機、臺達、控制精度。
    Abstract: This article mainly introduces the characteristic of co-rotating twin screw extruder.It realizes automaic control of co-rotating twin screw extruder for customers. This system utilizes each Delta’s products’ advantage and integrates them with HMI and PLC. Thus it can acquire a good result.This control system offers a high performance-price ratio control scheme with its good framework and high control precision.
    Key words: Co-rotating twin screw extruder, Delta, Control Precision

1
前言
    在橡塑機械領域中,作為聚合物加工的主要設備之一,同向雙螺桿擠出機以其優異的分散和分布混合能力、較窄的停留時間分布、優良的自潔性等特點,廣泛地用于聚合物配混、排氣及反應擠出等領域。
    目前雙螺桿擠出機控制系統的控制方式主要可分為傳統的繼電器+溫控表控制模式、PLC控制模式和DCS控制模式。傳統的繼電器+溫控器控制模式的優勢在于價格便宜,缺點是電柜尺寸大,線路復雜;DCS主要用于大型生產線,檔次高,但價格昂貴。而以PLC為控制核心的控制模式是目前擠出機控制系統的主流。
    在本文中,作者和大家分享利用臺達全套自動化產品,開發的同向雙螺桿擠出機控制系統,本系統充分利用臺達機電產品的高靈活性和擴展性,這些都為PLC在橡塑機械領域的應用提供了極大地方便。

2
同向雙螺塑料擠出機的工作原理
    同向雙螺桿塑料擠出機主要由主驅動電機、傳動系統、溫控系統、喂料系統、真空系統、切粒系統、輸送系統及輔機系統等部分組成(見圖1)。 
   
1 同向雙螺桿塑料擠出機構成圖
    原料從料斗經喂料系統進入塑料擠出機,物料通過溫控系統加熱后以合適的溫度在擠出機中熔融混煉,由真空系統去除廢氣,混煉后的熔體以一定的壓力通過造粒模板被擠出,經冷卻、切粒輸送至料倉。此設備中,主驅動電機轉速、喂料機轉速的轉速均可根據生產能力調節控制。

3
選型配置:
3.1 調速部分
    此設備的主驅動電機為三相交流異步電機,電機功率為11KW,變頻器采用臺達VFD-B系列高機能,矢量控制型變頻器110B43A,此變頻器適合帶動恒轉矩負載,起動轉矩大,在150%額定電流的過負載情況下,可以連續工作1分鐘,此性能在擠出機啟動時(此時設備的阻力最大)十分重要。
喂料電機采用臺達迷你型M型變頻器,此型號變頻器體積小巧,還具備簡易矢量功能 ,并可實現電機的靜音運行。
    臺達變頻器都內建RS485接口,通訊協議為標準的MODBUS。
    主電機變頻器和喂料電機變頻器的頻率給定是由PLC通過RS485接口給定,操作時可在B05S100觸摸屏上任意修改轉速,實現主機、喂料電機的精確速度給定;同時PLC通過MODBUS通訊讀取變頻器的工作頻率和電流,了解設備的工作情況,并在觸摸屏上進行顯示,當PLC讀取變頻器的輸出電流達到設定報警電流值并持續一定時間時,PLC會停止主機運轉,提示操作人員查找故障原因。

3.2
溫控部分
    擠出機工作時,如果擠出溫度過低,會使出料口不暢,造成擠出機構負載過大;如果擠出溫度過高,則可能改變原料特性,導致成品報廢;因此擠出溫度控制決定著塑料擠出機的性能。擠出機的加熱裝置采用的是電加熱,而冷卻采用水冷,通過控制排管中水循環帶走熱量,因此要求溫控表具有雙輸出功能。
    根據以上要求,我們采用DTE模塊化溫控器,6個溫控區分別進行精確溫度控制,控制模式為PID,加熱/冷卻雙向控制,并可自整定,溫度控制精度可達±1℃,這樣可確保同向雙螺桿擠出機的正常運行。加熱的輸出選擇的是電壓脈沖輸出,用來驅動SSR,冷卻的輸出選擇為繼電器輸出 ,直接帶動電磁閥。
    另外,此設備還要在機頭處檢測熔體壓力和溫度,熔體壓力變速器過來的信號為0-10V,對應0-25MPA,熔體溫度過來的信號為分度號為K的熱電偶信號。如果要將檢測熔體壓力,傳統的方法是使用PLC的模擬量模塊,但是為1-2路信號選1個4路模塊在成本上來說有點高,而由于臺達DTE溫控器有擴展DTC溫控器的能力,因此我們選擇2臺DTC2000R作為DTE的擴展,DTC和DTE共用電源線和通過線,并且DTC既可接溫度傳感器信號,又可接標準的0-10V和4-20Ma信號,這樣既減少了接線,又使節約的客戶的成本,體現了臺達產品配套時的靈活性和高經濟性。

3.3
主控PLC和觸摸屏
    觸摸屏根據客戶要求,選擇臺達5.6寸B系統觸摸屏B05S100,此觸摸屏利用其多通訊口的優勢,COM1口與PLC相聯,設置設備的工作參數,COM2口通過RS485與DTE溫控表相聯,顯示與設置DTE的當前值與目標值。
    PLC選擇的是臺達小型高性能EH2系列PLC,DVP48EH00R2, 是控制的核心。開關電源選擇的也是臺達工業平板電源PMC-024V100W1AA,此產品為全鋁外殼,輸出能力強。

3.4 
最終配置:
    (1)PLC: DVP48EH00R2*1
    (2)人機界面: DOP-B05S100
    (3)變頻器: VFD0110B43A+VFD015M43B
    (4)開關電源:PMC-024V100W1AA
    (5)溫控器:DTE10T*1+DTE20T*1+DTE20V*2+DTE20R*2+DTC200R*2

4
系統架構
系統框架如圖2所示。
   
圖2  系統架構圖
    其中,臺達模塊化的DTE溫控器用來控制溫度,B05S100觸摸屏利用其多通訊口的優勢,COM1口與PLC相聯,設置設備的工作參數,COM2口通過RS485與DTE溫控表相聯,顯示與設置DTE的當前值與目標值,PLC用來控制整機的邏輯,VFD-B變頻器用來給主驅動電機調速,VFD-M迷你型變頻器用來給喂料電機調調速,PLC通過內建的RS485口與兩臺變頻器通訊,設定變頻器的工作頻率,讀取工作時的轉速與電流。

5
上位機畫面功能
5.1溫度參數設置畫面
    溫度的設定與顯示畫面如圖3所示,此功能是觸摸屏直接通過屏的RS485口與DTE和DTC通訊。
           
圖3 溫度參數設置畫面
5.2正常開機流程畫面
    此設備的工藝流程是,首先,溫控器先控制執行元件讓機器升溫到正常工作溫度,然后打開油泵,油泵打開后才能開主機,主機啟動后,喂料電機才可啟動。其它電機如水泵,真空泵,切粒等電機在需要時啟動。如果沒有異常,機器就這樣正常運行下去。
    在臺達B05S100屏上設置主機及喂料電機的頻率,還包括主機運行時的報警電流準位,如圖4所示: 
           
圖4 正常開機流程畫面
5.3 觸摸屏宏程序說明
    觸摸屏啟動時,會先執行INITIAL宏程序(如下),將DTE, DTC溫控器的工作模式及傳感器類型與范圍做個設定,之后,DTE自動進行溫度控制。

#開啟自動站號設定
$400 = (2#1@TEMP_CTRL-10F8)
IF $400 != 1 THEN GOTO LABEL 1
GOTO LABEL 2
LABEL 1
(2#1@TEMP_CTRL-10F8) = 1
 
#輸出1為加熱
LABEL 2
$200 = 0
(2#1@TEMP_CTRL-10A8) = $200
(2#1@TEMP_CTRL-10A9) = $200
(2#1@TEMP_CTRL-10AA) = $200
(2#1@TEMP_CTRL-10AB) = $200
(2#1@TEMP_CTRL-10AC) = $200
(2#1@TEMP_CTRL-10AD) = $200
(2#1@TEMP_CTRL-10AE) = $200
(2#1@TEMP_CTRL-10AF) = $200
#輸出2為冷卻
$210 = 1
(2#1@TEMP_CTRL-10B0) = $210
(2#1@TEMP_CTRL-10B1) = $210
(2#1@TEMP_CTRL-10B2) = $210
(2#1@TEMP_CTRL-10B3) = $210
(2#1@TEMP_CTRL-10B4) = $210
(2#1@TEMP_CTRL-10B5) = $210
(2#1@TEMP_CTRL-10B6) = $210
(2#1@TEMP_CTRL-10B7) = $210
#控制方式為PID
$220 = 0
(2#1@TEMP_CTRL-10B8) = $220
(2#1@TEMP_CTRL-10B9) = $220
(2#1@TEMP_CTRL-10BA) = $220
(2#1@TEMP_CTRL-10BB) = $220
(2#1@TEMP_CTRL-10BC) = $220
(2#1@TEMP_CTRL-10BD) = $220
(2#1@TEMP_CTRL-10BE) = $220
(2#1@TEMP_CTRL-10BF) = $220
#DTC設定輸入類型0-10V,熔壓對應0-2500(0-25MPA)熔溫分度號是K型。
(2#2@TEMP_CTRL-1004) = 0
(2#3@TEMP_CTRL-1004) = 14
(2#3@TEMP_CTRL-1002) = 2500
(2#3@TEMP_CTRL-1003) = 0

并且工作中,熔體的壓力與溫度由DTC2000R檢測,檢測值由觸摸屏通過BACKGROUND宏將溫度與壓力寫入PLC的D200,D210寄存器,
#D200壓力
(1@D200) = (2#3@TEMP_CTRL-1000)
#D210熔溫
(1@D210) = (2#2@TEMP_CTRL-1000)

5.4
保護及報警處理
    此控制系統具備保護功能及整機工藝聯鎖控制。當出現過電流、過載及熔體壓力過高等異常情況時,自動停機,保護設備。
    在PLC程序中,PLC判斷熔體壓力及主機電流是否超限,如果超限并且持續時間超過一定時間,報警停機,并在觸摸屏上顯示。
    當外部設備發生故障時,如空開跳閘,同樣可通過HMI報警,方便故障診斷和維修。以下是設置和顯示的畫面,見圖5。
   
圖5  系統報警畫面
5.5 狀態顯示
    正常生產時,操作人員可通過狀態畫面,能實時了解當前機器的工作情況,方便工藝參數的調整,見圖6。在溫度控制方面,觸摸屏程序還提供了溫度曲線查看及溫控器輸出百分比柱狀圖查看,方便客戶對產品的品質進行監控,見圖7和圖8。
           
圖6  狀態顯示畫面
           
圖7 溫度曲線圖
圖8 溫控器輸出百分比柱狀圖
5.6 PLC與變頻器通訊程序
    由于臺達PLC內建MODBUS便利通訊指令,因此在程序中使用十分方便,編程時最重要的就是保證在同一時刻,只有1條通訊指令執行,并且當通訊完成后,立刻觸發下1筆通訊,保證通訊速度。見圖9.
   
圖9  PLC與變頻器通訊程序
 
結束語
    此設備調試完成后,得到了客戶的好評。臺達自動化產品在同向雙螺桿擠出機上成功的應用表明,通過成套使用臺達產品,可使設備的控制架構最優化,成本最省化,使客戶的利益最大化。運行實踐表明,系統性能穩定,安全可靠,性價比高,值得業界同行借鑒和推廣。

【參考文獻】
[1] 臺達全系列可編程序控制器  臺達內部資料  2008年
[2] 郭宗仁等. 可編程序控制器應用系統設計及通信網絡技術. 人民郵電出版社,2002年
[3] 變頻器在工業中的選擇與應用 劉繼黨等 科技信息    2009年第23期

 
 
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