一種塑料管材擠出生產線設備的控制

摘要：介紹了一種塑料管材擠出生產線設備的整線電氣控制，滿足其生產線設備的控制要求。分析了塑料管材擠出生產線的生產和控制工藝要求，特別是各設備控制的關鍵，以及整線設備之間的通訊連機和安全控制。提出了一套簡潔并符合歐盟安全標準的整線設備接口方案，采用PLC新款產品進行整線電氣控制并符合工業4.0的要求。指明了如何應用西門子S7-1200和S7-200 Smart可編程控制器，根據實際控制需要合理配置，完成管材擠出生產線設備的電氣控制。

關鍵詞：管材擠出生產線、可編程控制器、Profinet通訊、工業4.0、組合式接插件

ABSTRACT： This paper introduces the whole electrical control of the extrusion line for plastic pipes， which meets the control requirements of whole extrusion line. The production and control process requirements of plastic pipe extrusion line are analyzed， especially the key points of equipment control， as well as the communication connection and safety control between equipment. This paper presents a concise interface scheme for the whole line equipment which meets the EU safety standards. The new PLC products are used for electrical control of the whole line and meet the requirements of industry 4.0. It points out how to use Siemens S7-1200 and S7-200 Smart programmable controllers to configure reasonably and complete the electrical control of pipe extrusion line.

Key words： pipe extrusion line， programmable controller， Profinet communication， industrial 4.0， combined connector

1、引言

塑料管材擠出生產線設備用于制造塑料管材，原料為塑料粒料，產品主要為通水、通氣和通線纜等塑料管道。管材擠出行業跟我們日常生活密切相關，在整個塑料設備行業的市場，管材擠出生產線設備發展很快速[1]。但目前國內的塑料管材生產線設備參齊不齊、檔次高低不一，整線安全急停保護欠缺或不達標[2]。筆者介紹如何使用西門子可編程控制器，組成管材擠出生產線設備的單機工作和整線聯動工作。

2、正文

2.1、管材擠出生產線設備組成及其工作

筆者僅對PE和PVC兩種工藝相近的塑料管材擠出生產線設備進行探討。該管材擠出生產線設備主要由擠出機、擠出模頭、真空箱、水箱、牽引機、切割機和翻料架組成;以及輔機設備：上料機、干燥機和稱重系統等。管材擠出生產線的工作流程：原料干燥（干燥機）-送料（上料機）-加熱塑化擠出（擠出機+模頭，加配稱重系統）-管道冷卻和定型（真空箱）-管道充分冷卻（水箱）-管道拖拉和輸送（牽引機）-管道定長切割（切割機）-管道儲存（翻料架）。

擠出機主要是把塑料粒料經過機筒螺桿進行加熱和塑化從模頭擠出管狀熔膠。變頻器對交流電機進行變頻調速工作，經過齒輪箱減速帶動螺桿轉動，完成塑化和擠出工作;使用溫度工藝PID對機筒和模頭進行加熱冷卻控制。其中，螺桿擠出量精度跟擠出電機的轉速和螺桿每轉排量均有關，螺桿每轉排量誤差基本在1～3%左右，所以電機速度精度要達到5‰以內即可;同時，擠出電機需要低速高扭矩輸出，通過變頻開環矢量控制模式能滿足其控制性能和精度要求。擠出機是生產線的終端，負責各單元之間的聯動控制：多個擠出機之間、擠出機和牽引機之間的速度跟隨同步控制;稱重系統和擠出機的集成并聯動工作等;對下游設備進行遠程控制和監控等等。

牽引機通過驅動履帶或皮帶，在線對管材進行夾緊拖拉和輸送。管材線性壁厚精度跟牽引機的速度有關，而牽引速度精度又跟每個履帶的速度和扭矩一致性有關。牽引管材需要低速大扭矩輸出，牽引速度按工藝要求要達到1～2‰的精度。綜上所述，如何解決每個履帶電機的速度和扭矩一致性是牽引機控制的難點。目前行內成熟的控制方案是一個倫茨驅動器的84 Top Line系列同時驅動多個交流變頻電機或異步伺服電機。

切割機主要是要在線把管材切斷。其一是定長切割工作，通過管材計米輪上的編碼器高速脈沖輸入，換算成實際管材當前生產長度，定長輸出切割信號和翻料信號。其二是鋸臺工作，接收到切割信號后，鋸臺跟隨管材速度或位置同步隨動，刀架旋轉并進刀切割，把管道圓周切斷。鋸臺隨動工作由伺服電機驅動完成，做凸輪曲線的位置隨動追切工作;刀架旋轉的公轉電機使用變頻開環矢量控制模式驅動。

2.2、管材擠出生產線設備控制

筆者介紹了兩臺擠出機共擠并各帶一個稱重系統，加上牽引機和切割機的整線通訊和控制。? S7-1200 CPU集成了一個PROFINET通信口，支持以太網和基于TCP/IP和UDP 的通信標準。該物理接口是支持10/100Mb/s的 RJ45口，支持電纜交叉自適應。使用該通信口可以實現S7-1200 CPU與HMI觸摸屏的通信，與其它CPU之間的通信。作為生產線的終端，基于西門子S7協議，擠出機1的S7-1200 CPU同時跟擠出機2的S7-1200 CPU、牽引機的S7-200Smart CPU和切割機的S7-200Smart CPU進行以太網通訊。CPU與CPU之間的數據訪問，使用“PUT/GET”。S7-1200的CPU之間可進行4個DB數據塊的通訊讀寫， S7-1200和S7-200 Smart的CPU之間僅能進行1個MD數據塊的通訊讀寫，范圍：MB0-MB32。S7-1200支持最多8個PUT/GET客戶端或服務器。

如圖2.2.1所示，S7-1200的CPU需要設置開發的功能，允許來自遠程對象的PUT/GET通信訪問。

擠出機1對各單元進行數據讀寫的通訊變量分別為：擠出機2的速度、溫度控制、稱重系統的米重和產能等設定和顯示的數據讀寫，熔溫、熔壓、扭矩、報警等實際值和狀態的數據讀取，電機、溫控等工作控制位的寫入;牽引機的速度設定和顯示的數據讀寫，運行狀態、扭矩和報警等的數據讀取，啟動和夾緊等工作控制位的寫入;切割機的定長切割參數等的數據讀寫，運行狀態和報警等的數據讀取。PROFINET通訊口是一個完全開發的接口，能把整個生產線的工藝參數和狀態，實時上傳給上位機，符合工業4.0的要求[3]。

如圖2.2.2所示，筆者提供了一套性價比高的管材擠出生產線設備的電氣控制方案[4-5]。其中，擠出機1使用第二代精簡型12”觸摸屏作為HMI，除了該機的操控以外，其它設備的遠程操作和工藝參數都集成在該畫面上;主要使用S7-1200系列PLC，通過Modbus RTU協議[6]跟ABB最新款變頻器ACS580做RS485通訊，控制擠出電機的速度;S7-1200使用以太網通訊連接并集成伊諾克斯稱重系統，稱重系統通過失重控制原理，對擠出螺桿速度進行自動調整，把螺桿的擠出排量誤差從1～3%降低到1%以內，大大減少原料的浪費;S7-1200內置專業工藝溫度PID控制功能塊，控制機筒和模頭的加熱和冷卻，溫控精度達到1℃范圍以內;通過PLC的邏輯輸入輸出，采集本機及整線設備的工作狀態。以太網線和路由器組成拓撲結構網絡，連接本機和上下游設備之間的控制。擠出機2的控制工作和元件跟擠出機1的本機控制工作完全相同。牽引機的PLC選用S7-200 Smart，使用簡易按鈕式面板作為人際界面;使用伺服級別的Lenze84 Top Line驅動器，控制多個變頻電機或伺服電機，均在異步伺服閉環控制模式下進行調速工作;跟S7-200 Smart之間通過Modbus RTU協議做RS485通訊。切割機的PLC和HMI跟牽引機相同;通過高速脈沖輸入，把計米輪上編碼器信號轉換為管材的在線生產長度，通過比較設定并輸出切割和翻料動作;通過Modbus RTU協議跟驅動鋸臺刀架旋轉的ABB變頻器ACS355做RS485通訊;通過S7-200 Smart內置的運動控制功能，輸出高速脈沖給臺達伺服驅動器[7]，驅動鋸臺走凸輪曲線的位置追切控制工作。

2.3、管材擠出生產線設備接口

塑料管材生產線設備的長度很大，從前面到最后面基本都超過40米，各單元之間的連線和急停安全保護需要通過上下游設備接口來完成，需要考慮設備之間連接的簡易性[8]。

如圖2.3所示，筆者提供了一種連接簡潔、安全可靠的接口。上下游設備之間的通訊連接統一為以太網，下游設備的相關控制和工藝數據統一集中到擠出機1上。為提高安全保護，增加統一的整線安全急停回路;在任何一個設備上都可安全停止其它設備，以及在任何一個設備上都能進行整線設備的急停復位，簡單方便和安全可靠，符合歐盟對塑料管型材生產線設備與設備之間的安全防護要求。為了連接簡易，采用組合式接插件，網線和急停回路6芯電纜共用一套接插件，降低配線和安裝工作量。采用相同一進一出的方式，上下游設備的接口和連線是相同的，從前到后順序性地串聯起來，不會有任何分叉和交叉。

3、結語

綜上所述，筆者全面介紹了管材生產線的整線控制，詳細描述整線設備的工藝要求和控制關鍵，提供了性價比高并可靠的控制方案，給相關設備制造提供了一種可行的控制方案。由于過于考慮成本，牽引機和切割機只有簡易按鈕操作面板，定長切割等設置和操作被放在終端擠出機1上，存在一定程度上的操作不方便。在牽引機或切割機上增加一個觸摸屏作為HMI，將能解決前面提到的問題。

作者簡介：譚劍浩 男、1979年2月、廣東四會、工學士、電氣設計及自動化領域。

參考文獻

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[3]? 穆慧靈. 基于現場總線的電線生產線網絡控制研究[D].內蒙古科技大學，2007.

[4]? 沈侃，孫麗娜.電氣控制與可編程序控制器的原理及應用[J].時代農機，2018，45（01）：88.

[5]? 霍海波，尚飛.基于PLC的塑料擠出生產線集散控制系統的研究[J].塑料工業， 2016，44（03）：100-102+118.

[6]? 胡興文，吳耀興.Modbus通訊協議在電脫供給泵和ABB800xA系統通訊中的應用[J].化學工程與裝備，2019（01）：243-246.

[7]? S7-200PLC在伺服電機位置控制中的應用[J].數字技術與應用，2018，36（01）：17+127.

[8]? 王積森，李剛.關于EPIS控制系統在塑料管材生產線上的應用[J].制造業自動化，?2003（03）：65-66.