可編程計(jì)算機(jī)控制器及其在塑料擠出機(jī)中的應(yīng)用

引言

塑料擠出機(jī)是異型材擠出生產(chǎn)線(如塑鋼門窗的生產(chǎn)) 和鋁塑復(fù)合管生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備。擠出機(jī)自加料端至機(jī)頭分為加料區(qū)、熔融區(qū)和均化區(qū)3 個(gè)區(qū)。在加料區(qū)，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(shí);在熔融區(qū)，固體塑料被加熱熔融，在液固界面上生成一層熔體膜，當(dāng)熔體膜厚度超過螺翅與料筒的間隙時(shí)，熔體被螺翅刮落，在螺翅前側(cè)形成熔池，后側(cè)形成固體熔床;在均化區(qū)，物料在螺桿前進(jìn)的過程中受到正流、側(cè)流、倒流、漏流4 種運(yùn)動(dòng)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(xù)地通過口模而形成連續(xù)體。在擠出機(jī)中溫度和速度控制是非常重要的。

貝加萊公司的工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品PCC是綜合了PLC和工業(yè)計(jì)算機(jī)優(yōu)點(diǎn)的新一代可編程計(jì)算機(jī)控制器，具備各種標(biāo)準(zhǔn)的控制功能，硬件采用了能靈活配置的模塊化結(jié)構(gòu)，可帶電插撥，可靠性高。PCC 支持多任務(wù)分時(shí)操作系統(tǒng)，提供了8 個(gè)分別具有不同循環(huán)時(shí)間不同優(yōu)先權(quán)的任務(wù)等級(jí)(task class) 。其中優(yōu)先權(quán)高的任務(wù)等級(jí)，即高速任務(wù)有著較短的執(zhí)行周期(周期可由用戶設(shè)定，范圍從1ms 到20ms) ，而標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)的循環(huán)時(shí)間可從10 ms到5000 ms設(shè)定。而且每個(gè)任務(wù)等級(jí)可包含多個(gè)具體任務(wù)，這些任務(wù)中間可以再細(xì)分優(yōu)先權(quán)的高低。

PCC的多處理器和智能I/ O 技術(shù)使其智能性強(qiáng)，智能模塊內(nèi)部有自己的CPU ，其運(yùn)動(dòng)模塊配以高精度高質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)控制算法，溫度模塊配以具有自學(xué)習(xí)能力的溫度調(diào)節(jié)算法(PID 和模糊調(diào)節(jié)技術(shù)) 。智能溫度PIDxh 軟件可以自動(dòng)計(jì)算出不同溫控所需要的PID 參數(shù)，過程控制的PID 調(diào)節(jié)可以達(dá)到50μs 一個(gè)回路。

PCC產(chǎn)品使用開放式總線結(jié)構(gòu)，與各種系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)CAN BUS 物理連接，并通過相應(yīng)的通信程序?qū)崿F(xiàn)PCC系列產(chǎn)品之間的通信。幀驅(qū)動(dòng)器(frame driver) 是貝加萊公司為實(shí)現(xiàn)與第三方設(shè)備之間進(jìn)行通信而設(shè)計(jì)的軟件工具箱。由于Frame Driver 是一個(gè)自由通信協(xié)議，編寫串行接口(如RS - 232 ，RS- 485/ 422 ，TTY等) 的通信協(xié)議非常方便。通常的數(shù)據(jù)通信，用戶必須對(duì)端口的細(xì)節(jié)了解很清楚才能通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)接口各管腳的操作。而幀驅(qū)動(dòng)器將這些操作集中起來，用戶不必知道接口的細(xì)節(jié)就可以通過幀驅(qū)動(dòng)器命令直接傳輸讀寫數(shù)據(jù)。

PCC提供了結(jié)構(gòu)化高級(jí)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(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理能力。

本文介紹PCC在鋁塑復(fù)合管生產(chǎn)線中對(duì)4 臺(tái)擠出機(jī)的控制。

1 　系統(tǒng)的構(gòu)成和功能

圖1 為PCC控制4 臺(tái)擠出機(jī)系統(tǒng)框圖。4 臺(tái)擠出機(jī)都是單螺桿擠出機(jī)：內(nèi)管擠出機(jī)螺桿主電機(jī)為75kW直流電機(jī);內(nèi)管涂膠擠出機(jī)螺桿主電機(jī)為55kW直流電機(jī);外管涂膠擠出機(jī)螺桿主電機(jī)為55kW直流電機(jī);外管擠出機(jī)主電機(jī)為45kW直流電機(jī)。4 臺(tái)擠出機(jī)的螺桿直流電機(jī)都是由數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)E590 驅(qū)動(dòng)，它們通過主站處理器模塊的IF2 口以RS - 422 與PCC通信。牽引機(jī)主電機(jī)是三相交流電機(jī)，均由Lenze 變頻器驅(qū)動(dòng)，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(jī)為貝加萊公司的PROVIT -5000 系列工控機(jī)，用于在人機(jī)界面上對(duì)全線設(shè)備集中監(jiān)控。擠出機(jī)的控制選用PCC2005 作為主站， 兩臺(tái)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(shù)字量輸入模塊和數(shù)字量輸出模塊。工控機(jī)、主站和兩個(gè)從站通過CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。

圖1 　擠出機(jī)控制系統(tǒng)框圖

2 　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

用PCC編制用戶程序相對(duì)于傳統(tǒng)PLC 的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是它的多任務(wù)處理能力。它非常適合于控制功能復(fù)雜、對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)的控制程序采用PL2000 高級(jí)語言和LAD(梯形圖) 混合編制，根據(jù)其不同功能編出獨(dú)立的程序塊，并按實(shí)時(shí)性要求設(shè)定優(yōu)先級(jí)。同時(shí)，編程環(huán)境中包含豐富的函數(shù)庫及功能塊，大大減輕了開發(fā)人員的工作量。

2. 1 　溫度控制程序

在鋁塑復(fù)合管生產(chǎn)中，為了增加聚乙烯的流動(dòng)性、減少擠出機(jī)的負(fù)荷，希望提高擠出溫度;但溫度過高，尤其是在擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速較低、塑料在機(jī)筒和模具內(nèi)停留時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)使聚乙烯分子鏈?zhǔn)艿狡茐亩绊懝懿馁|(zhì)量。PL2000 編程語言提供PIDxh 函數(shù)，可以控制多路溫度調(diào)節(jié)。擠出溫度采用集中控制，每臺(tái)擠出機(jī)的機(jī)筒上有4 個(gè)熱電偶，機(jī)頭上有一個(gè)熱電偶，測(cè)溫信號(hào)直接接在PCC的溫度模塊上，用PID溫控軟件實(shí)行獨(dú)立的回路控制。在軟件中還采取了自學(xué)習(xí)功能，即自動(dòng)記錄不同時(shí)段、不同原料、不同模具下系統(tǒng)所需的參數(shù)，并存放于PCC的數(shù)據(jù)模塊中。軟件可以自動(dòng)計(jì)算出不同溫控所需的PID 參數(shù)，溫度控制精度可以達(dá)到±1 ℃。

2. 2 　通信控制程序

通信程序是很關(guān)鍵的。在工控機(jī)、PCC主站和從站之間以及主站和擠出機(jī)的直流調(diào)速系統(tǒng)之間、主站與牽引機(jī)的變頻器之間等都是靠通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。工控機(jī)、主站和從站之間通過CAN 總線實(shí)現(xiàn)通信。CAN 通信程序中主要用到下述函數(shù)： 用CANopen() 實(shí)現(xiàn)CAN 控制器的初始化并申請(qǐng)傳輸數(shù)據(jù)所需的資源;用CANwrite() 函數(shù)對(duì)將被發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行寫操作;用CANread() 函數(shù)進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)的操作; 用CANdftab() 函數(shù)可創(chuàng)建一個(gè)包含CAN 總線數(shù)據(jù)的變量列表，用戶可以通過事件變量來進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫;周期性的數(shù)據(jù)讀寫則用CANrwtab() 函數(shù)進(jìn)行處理。

使用Frame Driver 編寫與直流調(diào)速系統(tǒng)和變頻器的通信協(xié)議。在圖1 中，4 臺(tái)E590 直流調(diào)速系統(tǒng)分別驅(qū)動(dòng)內(nèi)管擠出、內(nèi)管涂膠擠出、外管擠出、外管涂膠擠出直流電機(jī)，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(tǒng)一調(diào)整控制參數(shù)和給定值。5 臺(tái)Lenze 變頻器分別驅(qū)動(dòng)內(nèi)管牽引、內(nèi)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(dòng)機(jī)，它們通過主站接口模塊的IF2 口以RS - 485 方式與PCC進(jìn)行通信。通信時(shí)先使用函數(shù)FRM_ Xopen(enable ，adr (device) ，adr (mode) ，adr (config) ，status ，ident)初始化;發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先向幀驅(qū)動(dòng)器申請(qǐng)一個(gè)緩存區(qū)，這時(shí)要用到FRM_ gbuf (enable ， ident ， status ， buffer ， buflng) 函數(shù);然后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入申請(qǐng)得到的緩存區(qū)中，用strcpy(outbufadr ，“Frame Driver Output Test”) 函數(shù)或memcpy() 函數(shù);最后命令幀驅(qū)動(dòng)器傳輸數(shù)據(jù)，用FRM_writ (enable ，ident ，buffer ，buflng ，status) 函數(shù)。

接收數(shù)據(jù)的過程基本相反。首先通知幀驅(qū)動(dòng)器從接口讀一幀數(shù)據(jù)并把它放在一個(gè)緩存區(qū)中，使用函數(shù)FRM_read (enable ，ident ，status ，buffer ，buflng);然后將數(shù)據(jù)從緩存區(qū)中拷貝到工作區(qū)，用memcpy() 函數(shù);最后要釋放緩存區(qū)以便再用，用FRM_rbuf () 函數(shù)。由此可見，使用PCC的幀驅(qū)動(dòng)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(fù)合管內(nèi)外管的大小。擠出量是按管徑和牽引速度用公式計(jì)算出來的，以內(nèi)外管徑符合標(biāo)準(zhǔn)、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(dòng)系統(tǒng)通信，調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速(即擠出機(jī)螺桿的轉(zhuǎn)速) 來調(diào)整的。

2. 4 　牽引速度控制

牽引速度的控制在鋁塑復(fù)合管生產(chǎn)中至關(guān)重要，它直接影響擠出的管材尺寸和焊接質(zhì)量。如牽引速度太慢，焊頭在鋁帶上停留的時(shí)間長(zhǎng)，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(huì)出現(xiàn)竹節(jié)現(xiàn)象;牽引速度過低則會(huì)使管材直徑過大而超差。系統(tǒng)中牽引速度是根據(jù)焊接速度和擠出速度按一定的公式計(jì)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(shè)定速度與實(shí)際速度進(jìn)行比較，形成速度閉環(huán)控制。

2. 5 　輔助控制程序

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)還有些輔助設(shè)備，如預(yù)熱、冷卻、剪切、卷繞設(shè)備等。這些設(shè)備對(duì)控制的實(shí)時(shí)性要求不高，單獨(dú)編程按普通任務(wù)執(zhí)行。

實(shí)際生產(chǎn)中還需要檢測(cè)運(yùn)行中的故障，對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，并提供多種報(bào)警模式。擠出機(jī)中的報(bào)警大致分為溫度報(bào)警、直流調(diào)速系統(tǒng)和變頻器或電機(jī)報(bào)警以及機(jī)械動(dòng)作報(bào)警。溫控采用的是軟件集中控制，可以直接控制系統(tǒng)每一路的加熱單元，以隨時(shí)報(bào)告加熱的異常狀態(tài)。在人機(jī)界面上可以顯示實(shí)際溫度和設(shè)定溫度，從而對(duì)各加熱單元進(jìn)行監(jiān)視，并實(shí)現(xiàn)超溫或低溫報(bào)警。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)無法顯示故障原因，因而維修起來困難。而在該系統(tǒng)中，由于能夠顯示故障位置和故障原因，檢修維護(hù)非常方便。

3 　結(jié)束語

鋁塑復(fù)合管生產(chǎn)中的擠出機(jī)自動(dòng)化程度高，控制復(fù)雜?；诳?strong>編程計(jì)算機(jī)控制器的該系統(tǒng)憑借B&R PCC的先進(jìn)技術(shù)，在控制功能和控制精度上達(dá)到了較高的水平，為實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化創(chuàng)造了條件。PCC的多任務(wù)操作系統(tǒng)提高了控制的實(shí)時(shí)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(diào)速系統(tǒng)、變頻器以通信的方式結(jié)合起來，實(shí)時(shí)修改控制參數(shù)，提高了生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度。用PCC控制的擠出機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)方便，安全可靠。