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楊宏亮

1  系統(tǒng)概述
雙向拉伸塑料薄膜具有現(xiàn)代包裝皇后的美稱，是國民經(jīng)濟和人民生活不可缺少的一種材料。其生產(chǎn)技術(shù)較為復雜，生產(chǎn)工藝要求嚴格。除原材料處理系統(tǒng)和薄膜后處理工序外，一條完整的雙向拉伸塑料薄膜生產(chǎn)線可分為：擠出成型（EXT/CR）、縱向拉伸(MDO)、橫向拉伸(TDO)、牽引處理(PRS)和卷取(WD)五大部分。各部分生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定運行非常重要，直接影響到薄膜的成型和質(zhì)量。雙向拉伸塑料薄膜產(chǎn)品的厚度最大60微米，最薄僅有6微米，生產(chǎn)線速度從每分鐘幾十米到三百多米不等。在薄膜拉伸生產(chǎn)過程中要求對溫度、壓力、張力、速度等進行穩(wěn)定、精確地控制，這就涉及到如溫度控制調(diào)節(jié)器，工藝冷卻水的水溫、水壓，熱交換器用的熱媒介質(zhì)的壓力和溫度，電機速度調(diào)節(jié)器等環(huán)節(jié)和參數(shù)。要想實現(xiàn)這些參數(shù)的穩(wěn)定，并且達到較好地配合，可采用多種方法實現(xiàn)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，PLC產(chǎn)品在其功能和性能指標上都得到了極大地豐富和完善。因此，應用PLC的一些特殊功能模塊(如PID調(diào)節(jié)模塊)和一些普通的I/O模塊對雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線的各個參數(shù)進行自動控制，并且通過PLC和變頻器之間的通訊實現(xiàn)對整個生產(chǎn)線的網(wǎng)絡控制也成為一種先進的控制方法。實踐證明，采用此方法達到了良好的效果。
2  系統(tǒng)構(gòu)成
 

圖1  薄膜拉伸線生產(chǎn)控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

如圖1所示，本系統(tǒng)上位機部分選用兩臺上位機（其中一臺備用）配以FIX軟件包及Windows NT操作界面。PLC部分選用施耐德公司的Premium PLC，采用以太網(wǎng)總線、FIPIO總線、AS-I網(wǎng)總線將上位機和PLC及各執(zhí)行機構(gòu)連接起來。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、響應快速、抗干擾能力強、運行可靠、功能強大等特點。執(zhí)行機構(gòu)主要有FVC閉環(huán)磁通矢量控制變頻器、普通變頻器、固態(tài)接觸器、電磁閥、薄膜調(diào)節(jié)閥、電動控制閥、FVC變頻調(diào)速電動機及三相異步電動機等。
3  PLC實現(xiàn)的功能
本系統(tǒng)依據(jù)雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線生產(chǎn)工藝的要求及設備控制系統(tǒng)的特點分為四個部分，各部分控制相對獨立。在此闡述兩個部分：① PID調(diào)節(jié)部分（包括溫度控制、壓力調(diào)節(jié)等參數(shù)控制）；② PLC和變頻器的通訊部分。

3.1  PlD調(diào)節(jié)部分
PID控制回路的操作包括三個不同的階段：采集一個或多個測量和設定點；執(zhí)行PID控制算法；送出適合于執(zhí)行機構(gòu)特性的命令，執(zhí)行機構(gòu)是由離散或模擬輸出控制。PID控制主要通過PID控制單元，該單元具有以下特性：① l00ms高速采樣周期。② 數(shù)字濾波器衰減輸入噪音，控制輸入意外干擾，使PID控制成為有效的快速響應系統(tǒng)。③ 多種輸出規(guī)格可供選擇。④ 8組數(shù)據(jù)設置，8個數(shù)值（如設定點SP和報警設置值）可以預置在8個數(shù)據(jù)組中。⑤ 可以用數(shù)據(jù)設定器輸入和顯示當前值。⑥ 利用先行PID控制器及自動調(diào)諧的特性獲得穩(wěn)定的PID控制。⑦ 可用PLC程序輸入和檢索數(shù)據(jù)，通過人機接口實現(xiàn)對PID的控制。同時也可通過PLC的程序?qū)崿F(xiàn)雙PID控制，從而實現(xiàn)了各處溫度的穩(wěn)定、精確控制。
PID控制可以分為本地控制和遠程控制兩種模式。遠程控制指通過PLC實現(xiàn)的控制，分為自動和手動兩種方式，自動控制即由PLC進行全自動控制，不需要進行人工干預。手動控制即在上位機上給定一個閥位輸出值，通過PLC對閥位進行控制，手動方式時內(nèi)部設定點不與測量值校準。在正常情況下都是在遠程控制模式下的自動狀態(tài)運行，并且每個PID控制回路的設定值(SV)、過程值(PV)、輸出值都可以在上位機上用數(shù)字顯示，同時在上位機上可以修改各區(qū)段的溫度、壓力等每個控制回路的PID參數(shù)，如SV、P值、I值、D值，操作界面非常友好、直觀。
3.2  PLC與變頻器的通訊
本項目中采用了FIPIO Net開放式的現(xiàn)場總線來實現(xiàn)PLC與變頻器之間的通訊。FIPIO Net有很多特點：① 為開放式現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，使用雙絞線介質(zhì)，符合FIPIO Net總線標準的國內(nèi)外各生產(chǎn)廠商的機器均可連接，其結(jié)構(gòu)簡單、即插即用、調(diào)試方便。② 它支持廣泛的數(shù)據(jù)處理操作，從通常的ON/OFF數(shù)據(jù)處理到條形碼讀入器的數(shù)據(jù)位操作。主從操作方式、多點拓撲結(jié)構(gòu)。③ 保證波特率為1Mbps，節(jié)點數(shù)（從設備）32個（帶中繼器時128個），節(jié)點間無中繼器時1 000m（帶中繼器時15 000m）的數(shù)據(jù)傳輸距離，因而在較長的生產(chǎn)線上應用簡單方便。
過去通常采用模擬量信號（4～20mA或0～10V）來控制變頻器的輸出頻率，從而實現(xiàn)節(jié)能或調(diào)速的要求。但上述兩種信號在傳輸過程中容易受到干擾，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定；同時模擬量信號精度較低，不能在精度要求較高的系統(tǒng)中應用。采用通訊的方式來控制變頻器的輸出頻率，是一種純數(shù)字化的控制，無需經(jīng)過模擬量的變換，傳輸是純數(shù)字化的串行傳輸，精度高且抗干擾性好，變頻器的輸出頻率非常穩(wěn)定。配合高質(zhì)量的FVC變頻電機，實現(xiàn)了高精度的速度控制，使各拉伸區(qū)段的張力保持穩(wěn)定。同時，還可以通過FIPIO網(wǎng)絡將變頻器的運行狀態(tài)及故障信息等在上位機上顯示出來。
4  調(diào)試運行中應注意的問題
PLC控制系統(tǒng)、各種網(wǎng)絡通訊及變頻器在安裝調(diào)試中需注意以下幾點：
①  做好系統(tǒng)的接地工作，接地電阻必須小于4歐姆。
②  在布線上做好系統(tǒng)的信號控制線、網(wǎng)絡線的屏蔽和接地工作，并與動力線分開放置。
③  為PLC及變頻器控制系統(tǒng)提供一個合適的工作環(huán)境溫度，功率超過75kW的變頻器需加強冷卻通風。
④  正確地將電機和編碼器的參數(shù)寫入對應的矢量控制變頻器。FIPIO通訊卡、AS-I模塊（傳感器―執(zhí)行器接口）的地址不能重復。
⑤  調(diào)試的步驟：先單機，后聯(lián)動；先低速，后高速；最后聯(lián)動運行。
⑥  及時將調(diào)試運行的參數(shù)存儲，盡快實現(xiàn)最優(yōu)化控制。
5  結(jié)語
該系統(tǒng)在雙向拉伸塑料薄膜生產(chǎn)線上運行穩(wěn)定，控制精度高，系統(tǒng)響應速度快，薄膜產(chǎn)品的厚薄偏差情況較早期的控制系統(tǒng)得到改善，大膜卷取質(zhì)量得到了提高，受到使用者的好評。由于該系統(tǒng)在改造前，使用了大量的分立元器件，抗干擾能力差，工藝參數(shù)波動較大且設備維護工作量大。改造后能完全實現(xiàn)高度集中、快速響應、安全的網(wǎng)絡化控制，實現(xiàn)了集中控制和管理；生產(chǎn)過程效率高、降低了能量和物料的消耗；自動化程度高，降低了工人的勞動強度；人機對話方便，易于調(diào)整工藝參數(shù)，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和更換產(chǎn)品規(guī)格，便于過程數(shù)據(jù)的采集和記錄，可為+生產(chǎn)操作人員提供詳盡的資料，從而進一步優(yōu)化工藝參數(shù)、提高產(chǎn)品質(zhì)量。