福泰祥PLC塑料片材生产系统设计

      山东福泰祥塑料片材生产线主要由挤出机、机头、三辊压光机、牵引、收卷等部件组成。其中：挤出机一般配置2-3台以适应不同片材生产需要。对于片材生产线来说，各段料筒、机头和三辊压光机的温度与塑料片材的质量关系很大。（1）挤出温度控制：挤出机料筒温度要根据塑料品种而定。（2）机头温度控制：一般比机筒温度高，若机头温度过低，会造成板材表面无光泽，易裂。若机头温度过高，物料易分解，板内有微孔。通常情况下，应将机头温度控制在中间低，两边高，且机头的温度应严格控制在规定温度范围之内，否则会影响板材厚度的均匀性。（3）三辊压光机温度控制：从挤出机头挤出的塑料板材的温度较高，这时应使板材缓慢冷却，为的是防止板材因产生内应力而翘曲。辊筒温度一定要控制好，不可过低。若辊筒温度过低，板材不容易紧贴辊筒表面，表面易产生斑点、且无光泽。
    目前，国内的塑料片材生产线大都采用简单的温控仪表和温控电路进行控制。它具有精度差、超调量大等缺点，很难满足生产高质量塑料片材的要求。
    该系统采用中达公司SC-501系列PLC、日本安川G7/F7变频器、台湾HITECH公司组态软件SOFTPANEL等组成新型塑料片材SCADA/HMI系统，能完成生产线数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、趋势曲线和报表输出等。
    2系统设计
    2．1硬件配置
    本系统共有两台挤出机（A机、B机），其中：A挤出机分8段料筒温度控制（自带冷却风机控制）、挤出机电机55KW、选用CIMR-F7A4055变频器；B挤出机分7段料筒温度控制、挤出机电机15KW、选用CIMR-F7A4015变频器。此外，机头分为6段温度控制；三辊压光机采用三台CIMR-G7A41P5变频器驱动，且主辊与顶辊各有一个水箱并通过水箱温度控制来调节辊筒温度；牵引辊选用CIMR-G7A41P5变频器驱动；收卷部分选用CIMR-G5A41P5变频器，配备600PPS编码器及PG-B2卡构成闭环PG矢量控制。
    根据以上配置要求，即温度采集控制点计23点，上位机上要可以设定变频器运行速度并采集各电机实测速度、负载电流等。系统硬件配置设计如图一所示：
    2．1．1SC-501PLC技术参数
    （1）CPU：32位微处理器
    （2）扫描速度：0。25μs/步
    （3）I/O容量：最大2048点
    （4）通讯端口：RS232/RS485/RS422
    （5）通讯协议：Modbus兼容
    （6）可同时处理64路通讯串口的连接
    （7）可与各种知名组态软件连接
    2．1．2热电偶模块THM10技术参数
    （1）路数：5通道
    （2）输入范围：B型（200-1800℃）、E型（0-1000℃）、J型（-50-750℃）、K型（0-1200℃）、R型（0-1700℃）、S型（0-1700℃）、T型（-100-400℃）
    （3）分辨率：12位
    （4）精确度：±1%FSR
    （5）冷端补偿：自动
    （6）范围选择：DIP开关
    （7）输出：5通道PID控制的PWM输出
    2．1．3安川变频器（G7/F7）
    （1）通讯协议：MODBUSRTU
    （2）读写数据内容：操作指令、频率指令、变频器状态、监视数据等
    （3）通讯端口：RS485/RS422
    （4）PLC与G7/F7通讯连线示意图二
    2．2软件设计
    2．2．1温度控制模块
    系统采用K型热电偶作为温度检测元件，它测温范围适中，线性度较好，直接接到PLC的热电偶模块THM10上，由PLC自动进行信号变换，并转换为相应数字量。PLC根据设定值及实测值偏差进行PID运算，并由THM10模块控制输出直接驱动固态继电器进行PWM输出，将AC220V交流电源接入电加热电路中。只要在给定时间内控制固态继电器通断时间比来选择导通周期（0-8191ms），就能达到改变加热功率目的，从而实现温度调节。其中，PID计算公式为：
    U（n）=（Kp/10*Ep）+（Ki/10*∫Epdt）+（Kd*dEp/dt）
    Ep：W-Y（t）
    Kp：比例常数（0-32767）
    Ki：积分常数（0-32767）
    Kd：微分常数（0-32767）
    U（n）：PID计算结果
    U（n-1）：上次PID计算结果
    W：温度设定值（0-32767）
    Y（t）：当前温度值（0-32767）
    温度控制部分程序框图如图三所示：
    2．2．2PLC与G7/F7通讯控制模块
    （1）MSG指令：SC501系列CPU提供的MBUSMASTER功能提供梯形图程序的应用界面。可以此功能指令实现单台或多台MBUS单元连线，做各种资料的读写交换。
    （2）程序设计上，优先响应各站点变频器的“启动”、“停止”操作；在无“启动”、“停止”指令时，程序循环执行各站点变频器读取运行速度及负载电流、写入运行工作频率等。
    （3）通讯控制部分程序框图如图四所示：
    2．3组态画面设计
    （1）主画面：A挤出机、B挤出机、各传动辊启动/停止、设定/实测速度、负载率显示、联动/单机控制模式选择等。
    （2）挤出机画面：A（B）挤出机启动/停止、各段料筒温度设定/实测、加温/冷却状态指示等。
    （3）机头画面：机头各段温度设定/实测。
    （4）各辊传动控制画面：各辊启动/停止、设定/实测速度、负载率显示、收卷辊张力控制、主辊与顶辊水箱温度控制、水泵启停等。
    （5）控制参数及监控画面：各段温度控制P、I、D、DT等参数设定，监视各变频器通讯状况，系统报警指示等。
    （6）历史曲线画面：记录A挤出机、B挤出机、机头各段温度历史曲线、A（B）挤出机电机负载历史曲线及相关报表输出。
    3系统特点
    （1）温度控制精度高：控制精度高（±2℃以内），非常适合多路温度采集控制应用。
    （2）操作直观、方便：采用组态画面进行直观显示片材生产线各部分工作状态，启动/停止及运行速度设定、实测、各点温度设定、实测一目了然，并有各种记录曲线帮助分析系统参数，用户只需简单培训、操作即可上岗。
    （3）布线简单，节省A/D、D/A转换模块：7台变频传动控制之间到PLC之间的连线仅是一根双绞电缆即可完成，且系统故障点大大减少，接线布线简单；采用MODBUSRTU方式通讯，变频器的工作电流、运行速度及设定值等参数可直接建立联系，无须A/D、D/A的转换。
    4结束语
    山东福泰祥注塑机500系列PLC在塑料片材生产线控制系统上应用是成功的，具有较高性价比，能满足高质量塑料片材产品的生产，具有很好的推广应用前景。