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塑料擠出機是異型材擠出生產線(如塑鋼門窗的生產) 和鋁塑復合管生產線上的關鍵設備。擠出機自加料端至機頭分為加料區、熔融區和均化區3 個區。在加料區,固體塑料通過與料筒的磨擦作用而被向前輸送并逐漸壓實;在熔融區,固體塑料被加熱熔融,在液固界面上生成一層熔體膜,當熔體膜厚度超過螺翅與料筒的間隙時,熔體被螺翅刮落,在螺翅前側形成熔池,后側形成固體熔床;在均化區,物料在螺桿前進的過程中受到正流、側流、倒流、漏流4 種運動的攪拌、剪切和壓緊作用,得到充分混合、塑化,并在一定壓力下連續地通過口模而形成連續體。在擠出機中溫度和速度控制是非常重要的。
貝加萊公司的工業自動化產品PCC是綜合了PLC和工業計算機優點的新一代可編程計算機控制器,具備各種標準的控制功能,硬件采用了能靈活配置的模塊化結構,可帶電插撥,可靠性高。PCC 支持多任務分時操作系統,提供了8 個分別具有不同循環時間不同優先權的任務等級(task class) 。其中優先權高的任務等級,即高速任務有著較短的執行周期(周期可由用戶設定,范圍從1ms 到20ms) ,而標準任務的循環時間可從10 ms到5000 ms設定。而且每個任務等級可包含多個具體任務,這些任務中間可以再細分優先權的高低。
PCC的多處理器和智能I/ O 技術使其智能性強,智能模塊內部有自己的CPU ,其運動模塊配以高精度高質量的運動控制算法,溫度模塊配以具有自學習能力的溫度調節算法(PID 和模糊調節技術) 。智能溫度PIDxh 軟件可以自動計算出不同溫控所需要的PID 參數,過程控制的PID 調節可以達到50μs 一個回路。
PCC產品使用開放式總線結構,與各種系統通信方便,提供支持CAN BUS 的硬件模塊并自帶CAN 接口。因此,很容易實現CAN BUS 物理連接,并通過相應的通信程序實現PCC系列產品之間的通信。幀驅動器(frame driver) 是貝加萊公司為實現與第三方設備之間進行通信而設計的軟件工具箱。由于Frame Driver 是一個自由通信協議,編寫串行接口(如RS - 232 ,RS- 485/ 422 ,TTY等) 的通信協議非常方便。通常的數據通信,用戶必須對端口的細節了解很清楚才能通過編程實現對接口各管腳的操作。而幀驅動器將這些操作集中起來,用戶不必知道接口的細節就可以通過幀驅動器命令直接傳輸讀寫數據。
PCC提供了結構化高級語言PL2000 ( 類似C 語言) ,也可使用梯形圖(LAD) 、指令表(STL) 編程,且具有強大的數據運算和處理能力。
本文介紹PCC在鋁塑復合管生產線中對4 臺擠出機的控制。
1 系統的構成和功能
圖1 為PCC控制4 臺擠出機系統框圖。4 臺擠出機都是單螺桿擠出機:內管擠出機螺桿主電機為75kW直流電機；內管涂膠擠出機螺桿主電機為55kW直流電機；外管涂膠擠出機螺桿主電機為55kW直流電機；外管擠出機主電機為45kW直流電機。4 臺擠出機的螺桿直流電機都是由數字式直流調速系統E590 驅動,它們通過主站處理器模塊的IF2 口以RS - 422 與PCC通信。牽引機主電機是三相交流電機,均由Lenze 變頻器驅動,它們通過主站接口模塊的IF2 口以RS - 485方式與PCC 通信。上位機為貝加萊公司的PROVIT -5000 系列工控機,用于在人機界面上對全線設備集中監控。擠出機的控制選用PCC2005 作為主站, 兩臺PCC2003 作為從站,包括電源模塊PS465 、處理器模塊、接口模塊、溫度輸入模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數字量輸入模塊和數字量輸出模塊。工控機、主站和兩個從站通過CAN 現場總線實現實時通信。
圖1 擠出機控制系統框圖
2 系統的軟件設計
用PCC編制用戶程序相對于傳統PLC 的一個顯著優點是它的多任務處理能力。它非常適合于控制功能復雜、對實時性要求高的設備。整個系統的控制程序采用PL2000 高級語言和LAD(梯形圖) 混合編制,根據其不同功能編出獨立的程序塊,并按實時性要求設定優先級。同時,編程環境中包含豐富的函數庫及功能塊,大大減輕了開發人員的工作量。
2. 1 溫度控制程序
在鋁塑復合管生產中,為了增加聚乙烯的流動性、減少擠出機的負荷,希望提高擠出溫度;但溫度過高,尤其是在擠出機螺桿轉速較低、塑料在機筒和模具內停留時間過長會使聚乙烯分子鏈受到破壞而影響管材質量。PL2000 編程語言提供PIDxh 函數,可以控制多路溫度調節。擠出溫度采用集中控制,每臺擠出機的機筒上有4 個熱電偶,機頭上有一個熱電偶,測溫信號直接接在PCC的溫度模塊上,用PID溫控軟件實行獨立的回路控制。在軟件中還采取了自學習功能,即自動記錄不同時段、不同原料、不同模具下系統所需的參數,并存放于PCC的數據模塊中。軟件可以自動計算出不同溫控所需的PID 參數,溫度控制精度可以達到±1 ℃。
2. 2 通信控制程序
通信程序是很關鍵的。在工控機、PCC主站和從站之間以及主站和擠出機的直流調速系統之間、主站與牽引機的變頻器之間等都是靠通信進行數據交換的。工控機、主站和從站之間通過CAN 總線實現通信。CAN 通信程序中主要用到下述函數: 用CANopen() 實現CAN 控制器的初始化并申請傳輸數據所需的資源；用CANwrite() 函數對將被發送的數據進行寫操作；用CANread() 函數進行讀取數據的操作； 用CANdftab() 函數可創建一個包含CAN 總線數據的變量列表,用戶可以通過事件變量來進行數據讀寫；周期性的數據讀寫則用CANrwtab() 函數進行處理。
使用Frame Driver 編寫與直流調速系統和變頻器的通信協議。在圖1 中,4 臺E590 直流調速系統分別驅動內管擠出、內管涂膠擠出、外管擠出、外管涂膠擠出直流電機,它們均通過主站處理器模塊的IF2 口以RS - 422 與PCC通信,由PCC統一調整控制參數和給定值。5 臺Lenze 變頻器分別驅動內管牽引、內管涂膠牽引、焊管牽引、鋁管牽引和成材牽引的三相交流電動機,它們通過主站接口模塊的IF2 口以RS - 485 方式與PCC進行通信。通信時先使用函數FRM_ Xopen(enable ,adr (device) ,adr (mode) ,adr (config) ,status ,ident)初始化；發送數據時,先向幀驅動器申請一個緩存區,這時要用到FRM_ gbuf (enable , ident , status , buffer , buflng) 函數；然后將要發送的數據寫入申請得到的緩存區中,用strcpy(outbufadr ,“Frame Driver Output Test”) 函數或memcpy() 函數;最后命令幀驅動器傳輸數據,用FRM_writ (enable ,ident ,buffer ,buflng ,status) 函數。
接收數據的過程基本相反。首先通知幀驅動器從接口讀一幀數據并把它放在一個緩存區中,使用函數FRM_read (enable ,ident ,status ,buffer ,buflng)；然后將數據從緩存區中拷貝到工作區,用memcpy() 函數；最后要釋放緩存區以便再用,用FRM_rbuf () 函數。由此可見,使用PCC的幀驅動器編寫與第三方的通信程序是很方便的。
2. 3 擠出量控制
擠出量的控制是控制擠出的鋁塑復合管內外管的大小。擠出量是按管徑和牽引速度用公式計算出來的,以內外管徑符合標準、表面光潔為宜。擠出量是由PCC主站處理器上的通信端口IF2 以RS - 422 與E590直流傳動系統通信,調節直流電機的轉速(即擠出機螺桿的轉速) 來調整的。
2. 4 牽引速度控制
牽引速度的控制在鋁塑復合管生產中至關重要,它直接影響擠出的管材尺寸和焊接質量。如牽引速度太慢,焊頭在鋁帶上停留的時間長,易將鋁帶焊穿;如牽引速度太快,焊接速度跟不上,則焊不牢。牽引速度還要與擠出速度相匹配,如牽引速度過大,管子表面會出現竹節現象;牽引速度過低則會使管材直徑過大而超差。系統中牽引速度是根據焊接速度和擠出速度按一定的公式計算出速度給定值,通過主站接口模塊的IF2 口以RS - 485 的通信方式送到各變頻器的,并在軟件中將設定速度與實際速度進行比較,形成速度閉環控制。
2. 5 輔助控制程序
生產現場還有些輔助設備,如預熱、冷卻、剪切、卷繞設備等。這些設備對控制的實時性要求不高,單獨編程按普通任務執行。
實際生產中還需要檢測運行中的故障,對設備進行保護,并提供多種報警模式。擠出機中的報警大致分為溫度報警、直流調速系統和變頻器或電機報警以及機械動作報警。溫控采用的是軟件集中控制,可以直接控制系統每一路的加熱單元,以隨時報告加熱的異常狀態。在人機界面上可以顯示實際溫度和設定溫度,從而對各加熱單元進行監視,并實現超溫或低溫報警。傳統控制系統無法顯示故障原因,因而維修起來困難。而在該系統中,由于能夠顯示故障位置和故障原因,檢修維護非常方便。
3 結束語
鋁塑復合管生產中的擠出機自動化程度高,控制復雜。基于可編程計算機控制器的該系統憑借B&R PCC的先進技術,在控制功能和控制精度上達到了較高的水平,為實現工廠自動化創造了條件。PCC的多任務操作系統提高了控制的實時性,開放式CAN 總線保證了主、從站之間信息流的暢通。主站與直流調速系統、變頻器以通信的方式結合起來,實時修改控制參數,提高了生產線的自動化程度。用PCC控制的擠出機運行穩定,維護方便,安全可靠。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號