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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(chēng)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活不可缺少的一種材料。其生產(chǎn)技術(shù)較為復(fù)雜，生產(chǎn)工藝要求嚴(yán)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(yùn)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(guò)程中要求對(duì)溫度、壓力、張力、速度等進(jìn)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?yán)鋮s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(jī)速度調(diào)節(jié)器等環(huán)節(jié)和參數(shù)。要想實(shí)現(xiàn)這些參數(shù)的穩(wěn)定，并且達(dá)到較好地配合，可采用多種方法實(shí)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(biāo)上都得到了極大地豐富和完善。因此，應(yīng)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(duì)雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制，并且通過(guò)PLC和變頻器之間的通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線的網(wǎng)絡(luò)控制也成為一種先進(jìn)的控制方法。實(shí)踐證明，采用此方法達(dá)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(jī)部分選用兩臺(tái)上位機(jī)（其中一臺(tái)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(jī)和PLC及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接起來(lái)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、響應(yīng)快速、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行可靠、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。執(zhí)行機(jī)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(dòng)控制閥、FVC變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)及三相異步電動(dòng)機(jī)等。
3  PLC實(shí)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(shè)備控制系統(tǒng)的特點(diǎn)分為四個(gè)部分，各部分控制相對(duì)獨(dú)立。在此闡述兩個(gè)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(gè)不同的階段：采集一個(gè)或多個(gè)測(cè)量和設(shè)定點(diǎn)；執(zhí)行PID控制算法；送出適合于執(zhí)行機(jī)構(gòu)特性的命令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由離散或模擬輸出控制。PID控制主要通過(guò)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(yīng)系統(tǒng)。③ 多種輸出規(guī)格可供選擇。④ 8組數(shù)據(jù)設(shè)置，8個(gè)數(shù)值（如設(shè)定點(diǎn)SP和報(bào)警設(shè)置值）可以預(yù)置在8個(gè)數(shù)據(jù)組中。⑤ 可以用數(shù)據(jù)設(shè)定器輸入和顯示當(dāng)前值。⑥ 利用先行PID控制器及自動(dòng)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(guò)人機(jī)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)PID的控制。同時(shí)也可通過(guò)PLC的程序?qū)崿F(xiàn)雙PID控制，從而實(shí)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(yuǎn)程控制兩種模式。遠(yuǎn)程控制指通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)的控制，分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式，自動(dòng)控制即由PLC進(jìn)行全自動(dòng)控制，不需要進(jìn)行人工干預(yù)。手動(dòng)控制即在上位機(jī)上給定一個(gè)閥位輸出值，通過(guò)PLC對(duì)閥位進(jìn)行控制，手動(dòng)方式時(shí)內(nèi)部設(shè)定點(diǎn)不與測(cè)量值校準(zhǔn)。在正常情況下都是在遠(yuǎn)程控制模式下的自動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行，并且每個(gè)PID控制回路的設(shè)定值(SV)、過(guò)程值(PV)、輸出值都可以在上位機(jī)上用數(shù)字顯示，同時(shí)在上位機(jī)上可以修改各區(qū)段的溫度、壓力等每個(gè)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(xiàng)目中采用了FIPIO Net開(kāi)放式的現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器之間的通訊。FIPIO Net有很多特點(diǎn)：① 為開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，使用雙絞線介質(zhì)，符合FIPIO Net總線標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)內(nèi)外各生產(chǎn)廠商的機(jī)器均可連接，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。③ 保證波特率為1Mbps，節(jié)點(diǎn)數(shù)（從設(shè)備）32個(gè)（帶中繼器時(shí)128個(gè)），節(jié)點(diǎn)間無(wú)中繼器時(shí)1 000m（帶中繼器時(shí)15 000m）的數(shù)據(jù)傳輸距離，因而在較長(zhǎng)的生產(chǎn)線上應(yīng)用簡(jiǎn)單方便。
過(guò)去通常采用模擬量信號(hào)（4～20mA或0～10V）來(lái)控制變頻器的輸出頻率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能或調(diào)速的要求。但上述兩種信號(hào)在傳輸過(guò)程中容易受到干擾，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定；同時(shí)模擬量信號(hào)精度較低，不能在精度要求較高的系統(tǒng)中應(yīng)用。采用通訊的方式來(lái)控制變頻器的輸出頻率，是一種純數(shù)字化的控制，無(wú)需經(jīng)過(guò)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(jī)，實(shí)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(shí)，還可以通過(guò)FIPIO網(wǎng)絡(luò)將變頻器的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息等在上位機(jī)上顯示出來(lái)。
4  調(diào)試運(yùn)行中應(yīng)注意的問(wèn)題
PLC控制系統(tǒng)、各種網(wǎng)絡(luò)通訊及變頻器在安裝調(diào)試中需注意以下幾點(diǎn)：
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(hào)控制線、網(wǎng)絡(luò)線的屏蔽和接地工作，并與動(dòng)力線分開(kāi)放置。
③  為PLC及變頻器控制系統(tǒng)提供一個(gè)合適的工作環(huán)境溫度，功率超過(guò)75kW的變頻器需加強(qiáng)冷卻通風(fēng)。
④  正確地將電機(jī)和編碼器的參數(shù)寫(xiě)入對(duì)應(yīng)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(fù)。
⑤  調(diào)試的步驟：先單機(jī)，后聯(lián)動(dòng)；先低速，后高速；最后聯(lián)動(dòng)運(yùn)行。
⑥  及時(shí)將調(diào)試運(yùn)行的參數(shù)存儲(chǔ)，盡快實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制。
5  結(jié)語(yǔ)
該系統(tǒng)在雙向拉伸塑料薄膜生產(chǎn)線上運(yùn)行穩(wěn)定，控制精度高，系統(tǒng)響應(yīng)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(píng)。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(dòng)較大且設(shè)備維護(hù)工作量大。改造后能完全實(shí)現(xiàn)高度集中、快速響應(yīng)、安全的網(wǎng)絡(luò)化控制，實(shí)現(xiàn)了集中控制和管理；生產(chǎn)過(guò)程效率高、降低了能量和物料的消耗；自動(dòng)化程度高，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；人機(jī)對(duì)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(guò)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(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)、提高產(chǎn)品質(zhì)量。