臺達自動化產(chǎn)品在同向雙螺桿擠出機上的應(yīng)用
Application of Delta Automation Products in Co-rotating Twin Screw Extruder

摘要：本文針對雙螺桿擠出機設(shè)備的特點，利用臺達全套自動化產(chǎn)品，為客戶實現(xiàn)同向雙螺桿擠出機的全自動控制。此系統(tǒng)充分利用臺達各產(chǎn)品的強項，并用HMI和PLC將這此產(chǎn)品整合，達到強強聯(lián)合的效果。此套控制系統(tǒng)，構(gòu)架巧妙，控制精度高，為客戶提供了一個性價比優(yōu)異的控制方案。
關(guān)鍵字：雙螺桿擠出機、臺達、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
      在橡塑機械領(lǐng)域中，作為聚合物加工的主要設(shè)備之一，同向雙螺桿擠出機以其優(yōu)異的分散和分布混合能力、較窄的停留時間分布、優(yōu)良的自潔性等特點，廣泛地用于聚合物配混、排氣及反應(yīng)擠出等領(lǐng)域。
      目前雙螺桿擠出機控制系統(tǒng)的控制方式主要可分為傳統(tǒng)的繼電器＋溫控表控制模式、PLC控制模式和DCS控制模式。傳統(tǒng)的繼電器＋溫控器控制模式的優(yōu)勢在于價格便宜，缺點是電柜尺寸大，線路復(fù)雜；DCS主要用于大型生產(chǎn)線，檔次高，但價格昂貴。而以PLC為控制核心的控制模式是目前擠出機控制系統(tǒng)的主流。
      在本文中，作者和大家分享利用臺達全套自動化產(chǎn)品，開發(fā)的同向雙螺桿擠出機控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)充分利用臺達機電產(chǎn)品的高靈活性和擴展性，這些都為PLC在橡塑機械領(lǐng)域的應(yīng)用提供了極大地方便。
2 同向雙螺塑料擠出機的工作原理
      同向雙螺桿塑料擠出機主要由主驅(qū)動電機、傳動系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、喂料系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、切粒系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)及輔機系統(tǒng)等部分組成（見圖1）。

 
圖1 同向雙螺桿塑料擠出機構(gòu)成圖

      原料從料斗經(jīng)喂料系統(tǒng)進入塑料擠出機，物料通過溫控系統(tǒng)加熱后以合適的溫度在擠出機中熔融混煉，由真空系統(tǒng)去除廢氣，混煉后的熔體以一定的壓力通過造粒模板被擠出，經(jīng)冷卻、切粒輸送至料倉。此設(shè)備中，主驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速、喂料機轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速均可根據(jù)生產(chǎn)能力調(diào)節(jié)控制。
3 選型配置：
3.1 調(diào)速部分
      此設(shè)備的主驅(qū)動電機為三相交流異步電機，電機功率為11KW，變頻器采用臺達VFD-B系列高機能，矢量控制型變頻器110B43A，此變頻器適合帶動恒轉(zhuǎn)矩負載，起動轉(zhuǎn)矩大，在150%額定電流的過負載情況下，可以連續(xù)工作1分鐘，此性能在擠出機啟動時（此時設(shè)備的阻力最大）十分重要。
喂料電機采用臺達迷你型M型變頻器，此型號變頻器體積小巧，還具備簡易矢量功能 ，并可實現(xiàn)電機的靜音運行。
     臺達變頻器都內(nèi)建RS485接口，通訊協(xié)議為標準的MODBUS。
      主電機變頻器和喂料電機變頻器的頻率給定是由PLC通過RS485接口給定，操作時可在B05S100觸摸屏上任意修改轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)主機、喂料電機的精確速度給定；同時PLC通過MODBUS通訊讀取變頻器的工作頻率和電流，了解設(shè)備的工作情況，并在觸摸屏上進行顯示，當(dāng)PLC讀取變頻器的輸出電流達到設(shè)定報警電流值并持續(xù)一定時間時，PLC會停止主機運轉(zhuǎn)，提示操作人員查找故障原因。
3.2 溫控部分
      擠出機工作時，如果擠出溫度過低，會使出料口不暢，造成擠出機構(gòu)負載過大；如果擠出溫度過高，則可能改變原料特性，導(dǎo)致成品報廢；因此擠出溫度控制決定著塑料擠出機的性能。擠出機的加熱裝置采用的是電加熱，而冷卻采用水冷，通過控制排管中水循環(huán)帶走熱量，因此要求溫控表具有雙輸出功能。
      根據(jù)以上要求，我們采用DTE模塊化溫控器，6個溫控區(qū)分別進行精確溫度控制，控制模式為PID，加熱/冷卻雙向控制，并可自整定，溫度控制精度可達±1℃，這樣可確保同向雙螺桿擠出機的正常運行。加熱的輸出選擇的是電壓脈沖輸出，用來驅(qū)動SSR，冷卻的輸出選擇為繼電器輸出 ，直接帶動電磁閥。
      另外，此設(shè)備還要在機頭處檢測熔體壓力和溫度，熔體壓力變速器過來的信號為0-10V,對應(yīng)0-25MPA，熔體溫度過來的信號為分度號為K的熱電偶信號。如果要將檢測熔體壓力，傳統(tǒng)的方法是使用PLC的模擬量模塊，但是為1-2路信號選1個4路模塊在成本上來說有點高，而由于臺達DTE溫控器有擴展DTC溫控器的能力，因此我們選擇2臺DTC2000R作為DTE的擴展，DTC和DTE共用電源線和通過線，并且DTC既可接溫度傳感器信號,又可接標準的0-10V和4-20Ma信號，這樣既減少了接線，又使節(jié)約的客戶的成本，體現(xiàn)了臺達產(chǎn)品配套時的靈活性和高經(jīng)濟性。
3.3 主控PLC和觸摸屏
      觸摸屏根據(jù)客戶要求，選擇臺達5.6寸B系統(tǒng)觸摸屏B05S100，此觸摸屏利用其多通訊口的優(yōu)勢，COM1口與PLC相聯(lián)，設(shè)置設(shè)備的工作參數(shù)，COM2口通過RS485與DTE溫控表相聯(lián)，顯示與設(shè)置DTE的當(dāng)前值與目標值。
      PLC選擇的是臺達小型高性能EH2系列PLC，DVP48EH00R2, 是控制的核心。開關(guān)電源選擇的也是臺達工業(yè)平板電源PMC-024V100W1AA，此產(chǎn)品為全鋁外殼，輸出能力強。

3.4  最終配置：
（1）PLC: DVP48EH00R2*1
（2）人機界面： DOP-B05S100
（3）變頻器: VFD0110B43A+VFD015M43B
（4）開關(guān)電源：PMC-024V100W1AA
（5）溫控器：DTE10T*1+DTE20T*1+DTE20V*2+DTE20R*2+DTC200R*2
4 系統(tǒng)架構(gòu)
系統(tǒng)框架如圖2所示。
 

圖2  系統(tǒng)架構(gòu)圖

      其中，臺達模塊化的DTE溫控器用來控制溫度，B05S100觸摸屏利用其多通訊口的優(yōu)勢，COM1口與PLC相聯(lián)，設(shè)置設(shè)備的工作參數(shù)，COM2口通過RS485與DTE溫控表相聯(lián)，顯示與設(shè)置DTE的當(dāng)前值與目標值，PLC用來控制整機的邏輯，VFD-B變頻器用來給主驅(qū)動電機調(diào)速，VFD-M迷你型變頻器用來給喂料電機調(diào)調(diào)速，PLC通過內(nèi)建的RS485口與兩臺變頻器通訊，設(shè)定變頻器的工作頻率，讀取工作時的轉(zhuǎn)速與電流。
5 上位機畫面功能
5.1溫度參數(shù)設(shè)置畫面
      溫度的設(shè)定與顯示畫面如圖3所示，此功能是觸摸屏直接通過屏的RS485口與DTE和DTC通訊。
 

圖3 溫度參數(shù)設(shè)置畫面

5.2正常開機流程畫面
      此設(shè)備的工藝流程是，首先，溫控器先控制執(zhí)行元件讓機器升溫到正常工作溫度，然后打開油泵，油泵打開后才能開主機，主機啟動后，喂料電機才可啟動。其它電機如水泵，真空泵，切粒等電機在需要時啟動。如果沒有異常，機器就這樣正常運行下去。
      在臺達B05S100屏上設(shè)置主機及喂料電機的頻率，還包括主機運行時的報警電流準位，如圖4所示：
 

圖4 正常開機流程畫面

5.3 觸摸屏宏程序說明

      觸摸屏啟動時，會先執(zhí)行INITIAL宏程序（如下），將DTE, DTC溫控器的工作模式及傳感器類型與范圍做個設(shè)定，之后，DTE自動進行溫度控制。

      并且工作中，熔體的壓力與溫度由DTC2000R檢測，檢測值由觸摸屏通過BACKGROUND宏將溫度與壓力寫入PLC的D200,D210寄存器，

5.4 保護及報警處理

      此控制系統(tǒng)具備保護功能及整機工藝聯(lián)鎖控制。當(dāng)出現(xiàn)過電流、過載及熔體壓力過高等異常情況時，自動停機，保護設(shè)備。

      在PLC程序中，PLC判斷熔體壓力及主機電流是否超限，如果超限并且持續(xù)時間超過一定時間，報警停機，并在觸摸屏上顯示。

      當(dāng)外部設(shè)備發(fā)生故障時，如空開跳閘，同樣可通過HMI報警，方便故障診斷和維修。以下是設(shè)置和顯示的畫面，見圖5。

 

圖5  系統(tǒng)報警畫面

5.5 狀態(tài)顯示

      正常生產(chǎn)時，操作人員可通過狀態(tài)畫面，能實時了解當(dāng)前機器的工作情況，方便工藝參數(shù)的調(diào)整，見圖6。在溫度控制方面，觸摸屏程序還提供了溫度曲線查看及溫控器輸出百分比柱狀圖查看，方便客戶對產(chǎn)品的品質(zhì)進行監(jiān)控，見圖7和圖8。

 

圖6  狀態(tài)顯示畫面

 

圖7 溫度曲線圖

 

圖8 溫控器輸出百分比柱狀圖

5.6 PLC與變頻器通訊程序

      由于臺達PLC內(nèi)建MODBUS便利通訊指令，因此在程序中使用十分方便，編程時最重要的就是保證在同一時刻，只有1條通訊指令執(zhí)行，并且當(dāng)通訊完成后，立刻觸發(fā)下1筆通訊，保證通訊速度。見圖9.

 

圖9  PLC與變頻器通訊程序

6  結(jié)束語

      此設(shè)備調(diào)試完成后，得到了客戶的好評。臺達自動化產(chǎn)品在同向雙螺桿擠出機上成功的應(yīng)用表明，通過成套使用臺達產(chǎn)品，可使設(shè)備的控制架構(gòu)最優(yōu)化，成本最省化，使客戶的利益最大化。運行實踐表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，安全可靠，性價比高，值得業(yè)界同行借鑒和推廣。

【參考文獻】

[1] 臺達全系列可編程序控制器  臺達內(nèi)部資料  2008年

[2] 郭宗仁等. 可編程序控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計及通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù). 人民郵電出版社，2002年

[3] 變頻器在工業(yè)中的選擇與應(yīng)用 劉繼黨等 科技信息    2009年第23期