超薄聚酯廢膜回收及喂料控制系統設計

（中原工學院，鄭州 451191）

0 引言

廢膜回收系統在聚酯薄膜生產中占有重要的地位。某電子材料公司生產的電容器用超薄聚酯薄膜厚度在2.4～12μm，質量輕，厚度薄。在薄膜拉伸和卷繞過程中會產生部分廢料。聚酯廢膜的回收利用減少了企業成本，同時避免了對環境和大氣的污染，有效地保護了生態環境。當前的廢料回收系統大部分針對厚膜，在電容器超薄膜碎膜回收中，由于超薄膜碎片的物理和化學特性，碎膜料倉經常會出現“架橋”、阻滯現象，導致后續造粒機喂料不連續，造成造粒系統停車或造粒機損壞，經常需要人工干預。本文根據超薄膜廢料回收系統出現的問題，設計了控制方案，達到了預期的效果。

1 系統構成及控制工藝說明

系統構成及工藝如圖1所示。系統包括三個部分，即碎膜料倉、除塵機組和造粒機。其中，造粒機為單獨設備。在本系統中，需根據造粒機的啟動信號和要料量模擬值，控制為其喂料的速度，以維持造粒機料倉內物料的基本平衡。碎膜料倉部分包括2個在線膜輸送信號、2個離線膜輸送信號、四個旋風分離器對應的電磁閥、料倉上下料位信號S1，S2、3臺攪拌電機M1-M3、一臺螺桿推進電機M4、一個物料溢出檢測器件S3（用于檢測造粒機喂料溢出）組成。除塵機組部分中M5為引風風機；造粒機中M6為螺桿電機、M7為切割壓實電機。除塵機組中，要對除塵機組進行起停控制，對引風機進行風量控制。

圖1 系統組成及工藝圖

系統的主要控制任務有三個，第一是根據生產需要，自動啟動廢膜回收動作，并盡可能保證碎膜料倉中碎膜不“架橋”、不阻滯，第二是自動根據造粒機開機情況為其自動喂料，并根據造粒機需求，自動調整喂料量，保障造粒機的正常生產。第三是根據系統廢料輸送風機開啟情況，控制除塵機組的起停和引風機的風量，從而保證系統機能保證除塵效果，又不把廢料引入除塵機組。為滿足系統調試和某些情況下手動開車的需要，設制手動和自動控制兩種控制模式。手動時，各個設備可以單獨啟停；自動時，根據系統自動控制程序自動啟停各個設備。

2 系統總體控制方案

根據系統的控制需要，本系統由西門子新型可編程控制器S7-1214C配合485通訊模塊、MM4系列變頻器、及觸摸屏構成控制系統。其中，觸摸屏與PLC采用以太網通訊，用于設定系統的參數，監控現場設備狀態以及記錄報警數據等；PLC為系統的處理核心，完成現場設備信號采集和控制。現場變頻器與S7-1200擴展的485通訊模塊進行通訊，實現PLC對變頻器的控制和參數讀寫以及現場造粒機要料模擬信號的數據取樣。

造粒機要料模擬量信號來自于造粒機，由于造粒機是連續生產的，因此，必須保證造粒機壓實料倉物料的連續性。當壓實料倉物料不能滿足生產需要時，造粒機拉條會變細甚至斷料；當壓實料倉物料過多時，會造成物料堆積，造成溫度過高，物料結塊[1]。現場造粒機采用智能儀表，根據壓實電機的實際功率與設定功率相比較，當壓實電機實際功率大于設定功率時，智能儀表要料模擬值按照內部計算輸出模擬量（4～20mA）減小；當壓實電機實際功率小于設定功率時，智能儀表要料模擬輸出值減小。本設計中，將造粒機要料模擬值信號連接到變頻器的模擬量輸入口，PLC通過USS協議對該模擬值進行數據取樣，用于變頻器輸出頻率控制及給料系統狀態判斷。

圖2 控制系統架構圖

3 系統軟件設計

系統軟件設計包含變頻器參數設置、觸摸屏人機界面設計和下位機PLC程序設計。其中人機界面設計和PLC程序設計兩部分均在西門子全集成自動化軟件TIA Portal中進行開發。系統的硬件和網絡如圖3所示，HMI與CPU通過Priofinet相連，兩端的IP地址需要分配在同一個網段。

圖3 系統硬件和網絡組態

3.1 變頻器的選型和參數設置

根據系統工藝要求，需要對兩臺電機分別進行變頻調速，但是其工藝要求不同，所用的變頻器參數也不一樣。如果變頻器選擇不當或參數設置不當，會影響系統的性能，甚至不能正常運行。根據兩臺電機的工藝控制需要，5.5kW的螺桿推進電機變頻器選型為MM440矢量變頻器，型號為6SE6440-2UD25-5CA1。7.5kW的引風機選型為MM430風機泵類專用變頻器，訂貨號為6SE6430-2UD27-5CA1。兩臺變頻器通過USS通訊方式與PLC進行通訊，PLC擴展CM 1241（RS485）模塊，模塊端口組態的波特率應與變頻器設置的波特率一致。

螺桿推進電機由于長期工作于變頻狀態，螺桿送料時，碎膜通過螺桿壓實，需要有較大的扭矩。尤其在低頻狀態，螺桿推進電機依然需要保持較大的扭矩輸出，因此，該電機變頻器采用無速度傳感器的矢量控制模式。

引風電機工作于V/F控制模式，應根據現場情況，實時調整引風機頻率，使除塵機組進口工作于微負壓狀態，以保證將灰塵引入除塵機組，又不讓廢膜吸入。

兩臺電機對應的變頻器主要參數設置如表1所示。

3.2 人機界面設計

人機界面設計，主要包括主畫面、設備操作與狀態畫面、報警記錄畫面、用戶管理畫面、手動操作畫面等。其中，設備操作與狀態畫面可以顯示系統設備的狀態、輸入定時攪拌參數、三臺攪拌電機的攪拌時間，可以查看螺桿電機及引風電機的工作電流和頻率等。報警畫面可以根據系統之前組態的報警顯示和記錄報警情況。手動操作畫面可以根據系統需要，手動操作各個設備的起停等。本設計中，人機界面采用西門子的KTP600 basic color PN。該觸摸屏為西門子開發的精簡系列面板，經濟可靠。可以與S7-1200通過TIA Portal直接進行組態。人機界面主畫面如圖4所示。

表1 變頻器參數設置

圖4 人機界面主畫面

3.3 PLC程序設計

PLC程序設計是本設計的核心部分。系統分為手動模式和自動模式，由控制柜上工作模式旋鈕做出選擇，PLC根據選擇結果自動切換工作模式，觸摸屏自動顯示系統工作模式狀態。手動模式下，通過觸摸屏手動起停現場設備。自動模式下，系統自動根據遠端廢膜輸送狀態起停除塵機組，自動調整引風機頻率；根據造粒機要料信號和要料模擬值的大小起停和改變螺桿電機的頻率，當要料模擬值在正常范圍時，系統采用定時攪拌模式，當要料模擬值大于設定值時，啟動自動攪拌程序，保障系統供料的連續。系統流程圖如圖5所示。

圖5 系統流程圖

圖6 系統自動攪拌流程圖

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由于輕質超薄膜的特性，碎膜料倉中碎膜經常出現碎片“架橋”現象，為此，采用攪拌電機自動攪拌，分為定時攪拌和條件判斷兩種情況。正常工作時，采用定時攪拌；在出現造粒機要料模擬值大于設定值時，判定為供料不足，產生“架橋”，啟動輪流攪拌模式。若仍出現“架橋”，判定為系統出現嚴重“架橋”，啟動聲光報警，告知人工干預。系統自動攪拌程序流程圖如圖6所示。

4 結束語

本文根據電容器用超薄聚酯廢膜回收喂料系統的特點和存在的問題，設計了基于S7-1200、變頻器、觸摸屏及工業通訊網絡的控制系統，并介紹了系統的控制方案及軟件設計思路。在某電子材料公司的具體應用中，大大減少了碎膜儲料料倉的“架橋”現象，使系統造粒供料連續穩定，減少了人工成本，取得了良好的效果。

[1]屠嶺.切割壓實輸送設備在塑料薄膜回收中的應用[J].南京工業職業技術學院學報,2011,11(4):4.

[2]郭靜.高分子材料改性[M].中國紡織出版社,2009.1.