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台达自动化产品在同向双螺杆挤出机上的应用

中达电通股份有限公司
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    摘要:本文针对双螺杆挤出机设备的特点,利用台达全套自动化产品,为客户实现同向双螺杆挤出机的全自动控制。此系统充分利用台达各产品的强项,并用HMI和PLC将这此产品整合,达到强强联合的效果。此套控制系统,构架巧妙,控制精度高,为客户提供了一个性价比优异的控制方案。
    关键字:双螺杆挤出机、台达、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
    在橡塑机械领域中,作为聚合物加工的主要设备之一,同向双螺杆挤出机以其优异的分散和分布混合能力、较窄的停留时间分布、优良的自洁性等特点,广泛地用于聚合物配混、排气及反应挤出等领域。
    目前双螺杆挤出机控制系统的控制方式主要可分为传统的继电器+温控表控制模式、PLC控制模式和DCS控制模式。传统的继电器+温控器控制模式的优势在于价格便宜,缺点是电柜尺寸大,线路复杂;DCS主要用于大型生产线,档次高,但价格昂贵。而以PLC为控制核心的控制模式是目前挤出机控制系统的主流。
    在本文中,作者和大家分享利用台达全套自动化产品,开发的同向双螺杆挤出机控制系统,本系统充分利用台达机电产品的高灵活性和扩展性,这些都为PLC在橡塑机械领域的应用提供了极大地方便。

2
同向双螺塑料挤出机的工作原理
    同向双螺杆塑料挤出机主要由主驱动电机、传动系统、温控系统、喂料系统、真空系统、切粒系统、输送系统及辅机系统等部分组成(见图1)。 
   
1 同向双螺杆塑料挤出机构成图
    原料从料斗经喂料系统进入塑料挤出机,物料通过温控系统加热后以合适的温度在挤出机中熔融混炼,由真空系统去除废气,混炼后的熔体以一定的压力通过造粒模板被挤出,经冷却、切粒输送至料仓。此设备中,主驱动电机转速、喂料机转速的转速均可根据生产能力调节控制。

3
选型配置:
3.1 调速部分
    此设备的主驱动电机为三相交流异步电机,电机功率为11KW,变频器采用台达VFD-B系列高机能,矢量控制型变频器110B43A,此变频器适合带动恒转矩负载,起动转矩大,在150%额定电流的过负载情况下,可以连续工作1分钟,此性能在挤出机启动时(此时设备的阻力最大)十分重要。
喂料电机采用台达迷你型M型变频器,此型号变频器体积小巧,还具备简易矢量功能 ,并可实现电机的静音运行。
    台达变频器都内建RS485接口,通讯协议为标准的MODBUS。
    主电机变频器和喂料电机变频器的频率给定是由PLC通过RS485接口给定,操作时可在B05S100触摸屏上任意修改转速,实现主机、喂料电机的精确速度给定;同时PLC通过MODBUS通讯读取变频器的工作频率和电流,了解设备的工作情况,并在触摸屏上进行显示,当PLC读取变频器的输出电流达到设定报警电流值并持续一定时间时,PLC会停止主机运转,提示操作人员查找故障原因。

3.2
温控部分
    挤出机工作时,如果挤出温度过低,会使出料口不畅,造成挤出机构负载过大;如果挤出温度过高,则可能改变原料特性,导致成品报废;因此挤出温度控制决定着塑料挤出机的性能。挤出机的加热装置采用的是电加热,而冷却采用水冷,通过控制排管中水循环带走热量,因此要求温控表具有双输出功能。
    根据以上要求,我们采用DTE模块化温控器,6个温控区分别进行精确温度控制,控制模式为PID,加热/冷却双向控制,并可自整定,温度控制精度可达±1℃,这样可确保同向双螺杆挤出机的正常运行。加热的输出选择的是电压脉冲输出,用来驱动SSR,冷却的输出选择为继电器输出 ,直接带动电磁阀。
    另外,此设备还要在机头处检测熔体压力和温度,熔体压力变速器过来的信号为0-10V,对应0-25MPA,熔体温度过来的信号为分度号为K的热电偶信号。如果要将检测熔体压力,传统的方法是使用PLC的模拟量模块,但是为1-2路信号选1个4路模块在成本上来说有点高,而由于台达DTE温控器有扩展DTC温控器的能力,因此我们选择2台DTC2000R作为DTE的扩展,DTC和DTE共用电源线和通过线,并且DTC既可接温度传感器信号,又可接标准的0-10V和4-20Ma信号,这样既减少了接线,又使节约的客户的成本,体现了台达产品配套时的灵活性和高经济性。

3.3
主控PLC和触摸屏
    触摸屏根据客户要求,选择台达5.6寸B系统触摸屏B05S100,此触摸屏利用其多通讯口的优势,COM1口与PLC相联,设置设备的工作参数,COM2口通过RS485与DTE温控表相联,显示与设置DTE的当前值与目标值。
    PLC选择的是台达小型高性能EH2系列PLC,DVP48EH00R2, 是控制的核心。开关电源选择的也是台达工业平板电源PMC-024V100W1AA,此产品为全铝外壳,输出能力强。

3.4 
最终配置:
    (1)PLC: DVP48EH00R2*1
    (2)人机界面: DOP-B05S100
    (3)变频器: VFD0110B43A+VFD015M43B
    (4)开关电源:PMC-024V100W1AA
    (5)温控器:DTE10T*1+DTE20T*1+DTE20V*2+DTE20R*2+DTC200R*2

4
系统架构
系统框架如图2所示。
   
图2  系统架构图
    其中,台达模块化的DTE温控器用来控制温度,B05S100触摸屏利用其多通讯口的优势,COM1口与PLC相联,设置设备的工作参数,COM2口通过RS485与DTE温控表相联,显示与设置DTE的当前值与目标值,PLC用来控制整机的逻辑,VFD-B变频器用来给主驱动电机调速,VFD-M迷你型变频器用来给喂料电机调调速,PLC通过内建的RS485口与两台变频器通讯,设定变频器的工作频率,读取工作时的转速与电流。

5
上位机画面功能
5.1温度参数设置画面
    温度的设定与显示画面如图3所示,此功能是触摸屏直接通过屏的RS485口与DTE和DTC通讯。
           
图3 温度参数设置画面
5.2正常开机流程画面
    此设备的工艺流程是,首先,温控器先控制执行元件让机器升温到正常工作温度,然后打开油泵,油泵打开后才能开主机,主机启动后,喂料电机才可启动。其它电机如水泵,真空泵,切粒等电机在需要时启动。如果没有异常,机器就这样正常运行下去。
    在台达B05S100屏上设置主机及喂料电机的频率,还包括主机运行时的报警电流准位,如图4所示: 
           
图4 正常开机流程画面
5.3 触摸屏宏程序说明
    触摸屏启动时,会先执行INITIAL宏程序(如下),将DTE, DTC温控器的工作模式及传感器类型与范围做个设定,之后,DTE自动进行温度控制。

#开启自动站号设定
$400 = (2#1@TEMP_CTRL-10F8)
IF $400 != 1 THEN GOTO LABEL 1
GOTO LABEL 2
LABEL 1
(2#1@TEMP_CTRL-10F8) = 1
 
#输出1为加热
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
#输出2为冷却
$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
#控制方式为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设定输入类型0-10V,熔压对应0-2500(0-25MPA)熔温分度号是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,熔体的压力与温度由DTC2000R检测,检测值由触摸屏通过BACKGROUND宏将温度与压力写入PLC的D200,D210寄存器,
#D200压力
(1@D200) = (2#3@TEMP_CTRL-1000)
#D210熔温
(1@D210) = (2#2@TEMP_CTRL-1000)

5.4
保护及报警处理
    此控制系统具备保护功能及整机工艺联锁控制。当出现过电流、过载及熔体压力过高等异常情况时,自动停机,保护设备。
    在PLC程序中,PLC判断熔体压力及主机电流是否超限,如果超限并且持续时间超过一定时间,报警停机,并在触摸屏上显示。
    当外部设备发生故障时,如空开跳闸,同样可通过HMI报警,方便故障诊断和维修。以下是设置和显示的画面,见图5。
   
图5  系统报警画面
5.5 状态显示
    正常生产时,操作人员可通过状态画面,能实时了解当前机器的工作情况,方便工艺参数的调整,见图6。在温度控制方面,触摸屏程序还提供了温度曲线查看及温控器输出百分比柱状图查看,方便客户对产品的品质进行监控,见图7和图8。
           
图6  状态显示画面
           
图7 温度曲线图
图8 温控器输出百分比柱状图
5.6 PLC与变频器通讯程序
    由于台达PLC内建MODBUS便利通讯指令,因此在程序中使用十分方便,编程时最重要的就是保证在同一时刻,只有1条通讯指令执行,并且当通讯完成后,立刻触发下1笔通讯,保证通讯速度。见图9.
   
图9  PLC与变频器通讯程序
 
结束语
    此设备调试完成后,得到了客户的好评。台达自动化产品在同向双螺杆挤出机上成功的应用表明,通过成套使用台达产品,可使设备的控制架构最优化,成本最省化,使客户的利益最大化。运行实践表明,系统性能稳定,安全可靠,性价比高,值得业界同行借鉴和推广。

【参考文献】
[1] 台达全系列可编程序控制器  台达内部资料  2008年
[2] 郭宗仁等. 可编程序控制器应用系统设计及通信网络技术. 人民邮电出版社,2002年
[3] 变频器在工业中的选择与应用 刘继党等 科技信息    2009年第23期

 
 
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