吴  农  曾  正  师燕燕  马建平  王芝杰

（天华化工机械及自动化研究设计院， 兰州  730060）

摘 要：采用贝加莱B&R 2000系列PCC实现对同向双螺杆塑料挤出机、双转子连续混炼机的控制。本文对该控制系统的组成和控制技术进行了分析，并对其中的关键技术和难点进行了论述。

关键词：PCC； 双螺杆塑料挤出机； 控制系统

中图分类号：         文献标识码：B

abstract:  The control system of Twin-srew extruders and  Twin-rotor continous mixers have been realized by the application of B&R 2000 series PCC. The configuration and  control technique have been  analyzed in this article,the major techniques and difficulties in this control system have been illustrated and discussed as well.

 

PCC以其丰富的编程语言、灵活的模块化组合方式、可靠的性能、强大的网络架构和I/O总线通讯能力等优势，广泛地应用于多种工业领域。如橡塑机械、化工装备、纺织机械、印刷机械、包装机械等，并正在向越来越多的工业领域发展。在橡塑机械领域中，目前控制系统的控制方式主要有传统的继电器控制模式、PLC控制模式、PCC控制等模式；此外、大型装置多采用DCS集散控制系统。传统的继电器控制模式的优势在于其良好的性价比及发展多年的成熟技术；PLC控制模式可实现一般的逻辑连锁和顺序控制；PCC控制模式由于采用了实时多任务操作系统，提供了多个具有不同循环时间及不同优先级的任务等级，因此它将应用程序的扫描周期与外部的控制周期相区别，真正满足实时控制的要求。并且使用Automation Studio编程开发环境具有强大的硬件组态能力，包括梯形图LAD、指令表IL、结构文本ST、顺序功能图SFC及高级语言Automation BASIC、Ansi C等多种编程工具，使得PCC的组态及编程简单明了。这些都为PCC在橡塑机械领域的应用提供了极大地方便。

 

同向双螺杆塑料挤出机主要由驱动系统、温控系统、主机混炼系统、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）。

图1  同向双螺杆塑料挤出机构成

原料和添加剂从给料斗经喂料系统进入塑料挤出机，物料通过温控系统以合适的温度在挤出机中熔融混炼，由液压换网系统和真空系统去除杂质和废气，混炼后的树脂熔体在一定压力下通过造粒模板被挤出，经冷却、切粒输送至料仓。主驱动电机转速、喂料机转速和切粒机的转速均可根据生产能力调节控制。

 

本文以出口美国的SHJ-72型同向双螺杆塑料挤出机控制系统为例做一阐述。

控制系统的构成如图2所示。
 

图2  同向双螺杆塑料挤出机控制系统的构成

控制系统采用IPC+PLC（即PCC）的控制方式，上位机IPC为研华的一体化工作站（也可采用贝加莱公司的PROVIT系列工业级PC，其它品牌的一体化工作站或平板电脑）构成，主要用于数据处理、HMI监控及组态编程，它通过IF622模块的RS232通讯口与PCC通讯。PCC是整个控制系统的核心，主要完成数据接收、数据采集和逻辑控制。它通过AT660、DI476、DI486、DO486、DO650、AM051等B&R2005I/O模块与温控固态继电器、电磁阀及现场的测温热电偶、压力传感器、扭矩传感器、接近开关、限位开关等相连接，接收和控制相应的执行机构。双螺杆主驱动电机、喂料机、切粒机的转速调节通过IF622模块的RS485通讯口，采用MODBUS通讯协议进行数据通讯，实现转速控制。通过此法可减少许多硬接线，减轻安装工作量，降低成本，同时可大大提高系统的可靠性。

双螺杆主驱动负载为恒扭矩特性，因此多数情况下使用直流电机，其转速控制通常用全数字式直流调速系统驱动实现。目前，随着电子技术及控制技术的发展，已有许多双螺杆塑料挤出机采用了矢量控制变频调速方式。

喂料机、切粒机及其它辅机的调速均可通过变频器完成速度控制，使之满足工艺要求，并保证协调运行。

 

下位机PCC使用贝加莱公司的Automation Studio编程开发环境，组态、编程灵活、功能强大，可以方便地对硬件进行组态，也可以使用一种或多种编程语言进行软件编程。编程语言面向用户，这使得控制程序的编程工作大大简化，开发调试极为方便。
 

图3  下位机AS组态画面

首先根据所选PCC型号及模块对硬件进行组态。然后添加系统任务、功能库和通讯固件。最后对不同的循环任务选择适当的任务周期时间，按照功能编写应用程序。图3为已完成的双螺杆塑料挤出机组态画面。

上位机采用北京亚控科技公司研发的基于工业网络平台的组态软件平台“组态王”Kingview6.51作为该系统的组态编程工具。组态画面见图4。
 

图4  上位机双螺杆挤出机组态的运行画面

由于PCC的所有程序及数据都在CPU上处理，它的I/O口都是在程序中调用的，所以编程时与硬件设备无关，因此编程极为容易。

软件编程主要针对以下几点：

（1） 人机对话界面：可实时显示系统运行状态；对系统设备进行控制操作；并可根据需要显示和设置系统运行数据、报警内容、修改工艺配方、实时趋势图、历史报表等。见图4。

（2） 温度控制：温度控制由循环任务1（Cyclic #1 -【10ms】）和循环任务3（Cyclic #3 -【500ms】）的应用程序完成（C语言编写）。包括双回路智能化PID控制器运算和加热/冷却脉宽输出运算，利用PCC分时多任务特点，将PID调节与加热/冷却输出分时控制，并可根据优化指令自动优化PID参数，其控制精度可达±1℃。可读取各区实际温度、加热/冷却状态并在触摸屏上显示、修改温度设定值、PID参数等。

（3） 调速控制：主驱动电机为直流电机，选用英国欧陆公司的E590系列直流调速器。喂料机选用西门子、ABB、三菱、台达等系列变频器进行调速控制。只需在数据任务（Data objects）的Datamod中定义好直流调速器及各种型号变频器的MODBUS数据通讯格式，即可实现在应用程序中与设备无关的变量调用。操作时可在IPC触摸屏上任意修改转速，实现主机、喂料机的精确速度给定。同时直流调速器、变频器将电流、转速等参数通过MODBUS通讯反馈给主PCC，并在触摸屏上进行显示和进行超限报警保护控制。

（4） 通讯控制：主要包括PCC与IPC及PCC与直流调速器、变频器及其它智能仪表两大部分。在通讯控制程序中采用主从站智能分布式拓扑结构的MODBUS总线通讯协议方式，将各种智能仪表以无格式方式与PCC建立通讯连接，进行数据交换。

（5） 联锁和逻辑控制：在循环任务4（Cyclic #4 -【500ms】）中通过使用梯形图LAD或Automation BASIC语言完成的应用程序的编写。能够根据系统工艺要求实现自动控制，完成完美的逻辑控制。

 

在控制系统设计及开发过程中，实现的功能及技术要点主要有：

（1） 通过MODBUS方式实现PCC与直流调速器、变频器及其它智能仪表数据通讯，即简化了编程难度，又减少了硬接线，节约了成本、还提高了控制系统的可靠性。

（2） 同向双螺杆塑料挤出机温度控制是控制系统的关键技术之一。控制的质量及稳定性将直接影响到混炼造粒的工艺流程和最终产品的质量。采用积木式机筒，多个温控区分别进行精确温度控制，PID加热/冷却双向控制，控制精度可达±1℃，确保同向双螺杆挤出机的正常运行。

（3） 功能丰富的系统状态及系统参数实时监控，各种参数实时修改。主机转速、喂料机转速、切粒机转速及其它调速设备实时调节。

（4） 系统具有完善的保护功能及整机工艺控制联锁。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。

（5） 由于PCC采用了模块化结构，所以配置灵活方便；控制系统上的Ethernet网络接口和主从站结构方式，非常便于系统扩充和升级，并实现群控。

（6） 抗干扰设计是控制系统中的主要内容之一。如强电弱电隔离、良好的接地系统、控制信号线采用屏蔽线、合理布线减少线间干扰等。确保控制系统的可靠运行。此外PCC各模块对I/O接口电路都采用了光电隔离技术，可有效抑制干扰信号。

（7） 通过基于Web的上位机组态软件HTML格式向网络发布工程，使用标准的浏览器（如IE），可以实时地查看图形显示，历史曲线，报警信息，同时根据权限进行报警应答，变量修改等操作。轻松实现远程查询、远程故障诊断与故障处理。

（8） 对程序稍加修改，既同样适合于双转子连续混炼机和双阶挤出机的控制。

（9） 对控制点数较少的控制系统，为降低成本，增强市场竞争，也可使用B&R2003系列PCC。

 

根据上述对整个控制系统的分析阐述，我们可知同向双螺杆挤出机控制系统对自动化程度要求较高，控制环节和过程也较复杂。采用PCC后，整个控制系统在先进性、可靠性、控制精度和功能诸多方面都达到了较高的水平，保证了挤出机的运行稳定、安全可靠。目前，基于PCC研制的同向双螺杆塑料挤出机、双转子连续混炼机和双阶挤出机，在国内外已经成功应用了数十台（套）。

 

参考文献

1.      齐蓉、肖维荣.可编程计算机控制器原理及应用.西北工业大学出版社.2002

2.      B&R2000高级编程技术.贝加莱培训教程.2003

3.      天华院. Operating Manual for SHJ-72 Twin-Screw Extruder.2006

4.      研华科技.PPC-126T用户操作手册.2006

5.      亚控科技.组态王用户手册（6.5.1.1）.2005

作者简介

吴 农 （1961- ），男，江苏宜兴人，高级工程师，主要研究方向为工业电气及仪表自动化控制。