在線添加動態混合器PLC控制系統設計

沈 波， 張 琦， 楊 博， 岳永旺

(中國紡織科學研究院 生物源纖維制造技術國家重點實驗室， 北京 100025)

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在線添加動態混合器PLC控制系統設計

沈 波， 張 琦， 楊 博， 岳永旺

(中國紡織科學研究院 生物源纖維制造技術國家重點實驗室， 北京 100025)

基于可編程控制器(PLC)與MODBUS工業通信網絡技術，為動態混合器設計了一套自動控制系統，該系統能夠隨著紡絲原料流量的變化動態地添加混合功能母粒。來自生產現場的被測信號通過MODBUS網絡上傳給PLC，根據動態混合器設備的工藝要求及控制算法，PLC計算出控制信號，并通過MODBUS網絡發送給控制設備或調節器。該系統是整個紡絲工藝控制系統的一部分,可改變原有系統只能隨時間按固定容量添加功能母粒的狀況，實現功能母粒注入量隨紡絲設備狀態的變化而實時動態調整，保證注入比例實時恒定。該系統也能解決原先儀表控制系統的反應滯后問題。實際應用效果表明，紡絲工藝的質量及穩定性得到了明顯提高。

可編程控制器； MODBUS； 動態混合器； 自動控制系統； 紡絲

在紡織加工工藝過程中，往往需要把多種不同原料及不同功能的添加劑進行混合反應，從而得到具有不同性能的化學纖維或紡絲產品[1]。以熔融紡絲工藝為例，在成纖聚合物原料中添加配制好的功能母粒，進行充分均勻攪拌與熔合，然后使用紡絲泵連續、定量而均勻地從噴絲頭(或噴絲板)的毛細孔中擠出，而成為膠態細流，再在空氣、水或特定的凝固浴中冷卻、固化成為初生纖維的過程稱作“纖維成型”，或稱“紡絲”。紡絲是化學纖維生產過程中的核心工序，而添加劑的均勻性則是紡絲的重要指標，直接影響初生纖維和成品絲的質量[2-3]。

傳統的功能母粒添加紡絲方式大都從進料口按比例添加入進料倉，經攪拌送入紡絲機[4-5]。這種方法只能保證單位容量內均勻，例如每桶料、每個料倉或每段料，而不是任意單位的料,且易產生自聚現象[6]，易造成紡絲質量不均勻，甚至生成殘次品。精確的混料過程應為根據準確的出料量，用注入計量泵實時、動態、連續、精確地加入添加劑，并充分有效地進行攪拌，使物料內各部分都保持均勻。為此，本文設計了一種基于PLC 的在線添加動態混合器的自動控制系統[7-8]，該系統是整個紡絲工藝控制系統的一部分，可根據出料量要求范疇，按照原料進料量，采用無超調PID算法，動態實時地調節功能母粒添加量。實際生產證明，與傳統控制系統相比，該控制系統有效提高了混合物的均勻連續度和混合比例準確度。

圖1 在線添加動態混合器組態原理圖Fig.1 Configuration of control system of dynamic mixer on line addition

1 PLC的在線添加動態混合器原理

1.1 系統構成

如要實現上述設計思想，就要從相應的設備配置入手。紡絲生產系統由紡絲系統和注入系統組成。切片紡絲時，紡絲系統由螺桿擠出機、熔體管路、紡絲計量泵組成。直接紡時，紡絲系統由增壓泵、熔體管路、紡絲計量泵組成。

注入系統由動態混合器、注入螺桿、注入計量泵組成。動態混合器含有進料區和混料1～6區7個加熱區，機頭設機頭壓力、熔體溫度、混合器拖動電動機。注入螺桿含有注入1～5區、機頭溫度顯示、泵前壓力、螺桿拖動電動機。注入計量泵含有計量泵加熱區、泵后壓力、計量泵電動機拖動。系統加裝在紡絲計量泵前的熔體管路間如圖1所示。

1.2 工作原理

切片紡絲時，由螺桿擠出機熔融推送物料，向紡絲計量泵輸送充足、穩定的熔體。直接紡時，紡絲系統由增壓泵推送熔體，向紡絲計量泵輸送充足、穩定的物料，再由紡絲計量泵按一定轉速均勻地從噴絲頭(或噴絲板)的毛細孔中擠出，冷卻后形成纖維。因此，只要采集到紡絲計量泵的頻率和其開停狀態就能得到準確的出料量。

注入系統中，主物料經螺桿擠出機或增壓泵送入動態混合器進料口，添加劑經注入擠出機、注入計量泵進入動態混合器注入口。經動態混合器混合特殊結構的攪拌送入紡絲計量泵入口，通過變頻器分別控制相應的電動機，拖動紡絲計量泵，實現對出料量的控制。注入螺桿輸送功能母粒，注入1～5區對功能母粒進行加熱并控制功能母粒的溫度。紡絲計量泵與注入計量泵進行聯鎖控制，計量泵用于動態控制最終進入混合器的功能母粒量。功能母粒進入混合器之后與成纖聚合物原料進行充分攪拌混合，并融化成熔體，混合后的熔體從混合出料口輸送到下一道工序。工藝人員確定混料比后，通過數據采集、工程計算，就能得出精準的注入量。

根據工藝要求設置各加熱區的溫度。打開進料閥，啟動混合器。觀察混料機頭壓力，如果數值開始增加，則將混合器頻率設為適當的工藝值。啟動注入計量泵，然后啟動注入機。調節注入機手動輸出，使注入機慢速運行。慢慢向注入機內加料，觀察泵前壓力。泵前壓力升至設定值后，可將泵前壓力控制儀表切換到自動。

2 在線添加動態混合器的系統設計

2.1 PLC控制原理

進料區和混料1～6區，注入螺桿含有注入1～5區，由測溫鉑電阻測得計量泵加熱區的實際溫度，送給相應儀表，并與上位機送來的給定比較、通過PID運算控制溫控柜內的調功器輸出使溫度穩定在設定值上。實際溫度超過報警溫度時控制系統會自動切斷加熱電源。泵前壓力信號送至泵前壓力控制表上，與上位機送來的給定信號比較、經PID運算得出輸出信號送至注入機變頻器維持泵前壓力的穩定。計量泵電動機頻率由上位機設定。混合器電動機頻率由上位機設定。啟動混合器，然后啟動計量泵電動機，啟動注入機。計量泵未啟動時，不能啟動注入機。

PLC作為中央控制區，除用于上位機監視控制以外，一個最重要的目的是用來控制完成功能母粒隨成纖聚合物動態添加，使熔體中原料與添加劑的比例更好地滿足工藝要求[9]。首先，PLC采集控制輸送成纖聚合物原料的6臺變頻電動機的實際頻率，根據他們的頻率之和，按照工藝要求，以及成纖聚合物與功能母粒在輸送管道里的時間差、注入機的實際運行頻率等參數，利用專家算法，計算出計量泵的控制頻率，進而控制計量泵的運行速度，并在適當情況下可對功能母粒注入電動機的運行頻率進行調節。

以6部位紡絲系統為例，設Q為紡絲系統總出料量；Q1～Q6為1至6部位出料量；Kf為各部位出料量與紡絲計量泵電動機頻率的換算系數；D1～D6為1至6部位的開停狀態，1為開，0為停；f1～f6為1至6部位的紡絲計量泵電動機頻率，那么：

已知總出料量，根據工藝要求設定混料比α，由式(2)可計算出注入量Qz：

(2)

式中：α為混料比；Qz為注入量；Kz為注入量與注入計量泵電動機頻率的換算系數；fz為注入計量泵電動機頻率。

將式(1)代入式(2)導出：

(3)

式中：α由工藝人員根據要求設置；Kf、Kz為常數；(D1×f1+D2×f2+D3×f3+D4×f4+D5×f5+D6×f6)可由PLC控制器通過通信方式，從紡絲計量泵電動機的變頻器上讀出。將式(3)由PLC用元軟件編出，就可實時、準確地得到注入計量泵電動機頻率。不論紡絲計量泵頻率變化還是開、停位，該式能自動加以計算。

2.2 系統結構設計

根據工序工藝與控制系統要求，PLC控制器主要是對注入功能母粒的1～5區、(功能母粒)進料區、混料1～6區的溫度進行監測與調節控制，對注入機頭和混料機頭的壓力和溫度進行監視或控制，對注入電動機、計量泵電動機、混料電動機的頻率進行監測與控制，以及向上位監控機傳送各種信息，并接受來自上位監控機的控制信息。由此，該PLC控制系統的結構框圖如圖2所示。

圖2 在線添加動態混合器 PLC 控制系統結構框圖Fig.2 Structure of control system of dynamic mixer online addition based on PLC

2.3 系統的信號傳輸關系

系統采用PLC梯形圖編程實現各種邏輯運算控制和各種溫度、壓力、流速的檢測控制。根據紡絲功能母粒在線添加動態混合器系統控制要求，其檢測、顯示、控制、執行機構的分布與信號傳輸關系示意圖如圖3所示[10-11]。為便于程序調節與維護升級，按照信號傳輸關系與功能關系，軟件設計采用了模塊化的設計思想[12]。

圖3 在線添加動態混合器信號傳輸關系圖Fig.3 Signal transmission of control system of dynamic mixer online addition

3 結 論

傳統紡絲工藝的功能母粒或添加劑的加料過程采用的是人工加料或隨時間線性加料， 這些方式無法滿足紡絲質量的高均衡性要求，易受生產過程擾動的影響。為解決這個問題，利用可編程控制器PLC控制技術，對混合器的電氣控制系統進行了改進，實現了功能母粒的動態添加自動化控制。試驗生產結果表明，該系統能大大提高紡絲質量穩定性，提高了產品合格率與生產效率，完全可滿足企業的工藝要求，控制系統工作穩定，抗干擾能力強，易根據控制需求進行升級或改進。

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Design of PLC control system of on-line addition dynamic mixer

SHEN Bo, ZHANG Qi, YANG Bo, YUE Yongwang

(StateKeyLaboratoryofBiobasedFiberManufacturingTechnology,ChinaTextileAcademy,Beijing100025,Beijing)

Based on the programmable logic controller (PLC) and the MODBUS industrial communication network technology, an automatic control system for dynamic mixer is designed, which can add mixed functional masterbatch dynamically with the change of the flow of spinning raw material. Signals from the production field are transmitted to PLC via the MODBUS network, then the PLC calculates control signals according process requirements and control algorithms of the dynamic mixer, and sends the control signals to control devices or regulators via the MODBUS network as well. The system is a part of the whole spinning process control system. It can change the situation that the original system only can add functional masterbatch with time according to fixed volumes, and realizes real-time dynamic adjustment of the injection volume of functional masterbatch with the change of the state of the spinning device, ensuring the injection proportion constant in real time. The system also can solve the problem of original instrument control system on response. The actual application results show that the quality and stability of the spinning process are improved significantly.

programmable logic controller; MODBUS; dynamic mixer; automatic control system; spinning

10.13475/j.fzxb.20140801405

2014-08-05

2015-07-15

沈波(1963—)，男，工程師。主要研究方向為電氣及其自動化。岳永旺，通信作者，E-mail：yueyongwang@126.com。

TP 23.5；TS 152.7

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