PET瓶坯加熱電氣配置與控制系統

肖 勇

一、PET瓶坯加熱背景

隨著日化、飲料、糧油、醫藥、調味等行業的飛速發展，市場上對PET瓶的需求越來越大。然而國內生產PET瓶的吹塑成型的設備廠商屈指可數，特別是在高速吹塑成型生產上，還不能與國際設備廠商抗衡。進口設備成本費昂貴，而且在日常的維護成本也高。為了對PET瓶坯在快速、準確地進行加熱，便于后續吹塑成型瓶子，目前廣州達意隆機械股份有限公司的旋轉式吹瓶機CPX10的機型就能以單模腔2400的速度，加溫控制系統就能達到精準的加熱，使得瓶坯經過加熱后吹塑成型。

加熱溫度對于瓶坯來說非常重要，加熱系統主要由加熱燈箱、加熱循環風機、瓶坯循環加溫鏈、坯口冷卻循環、加溫機架構成，瓶坯在加熱過程中對溫度至關重要，防止瓶子成型后出現發白、瓶身厚度不均勻等現象，瓶坯在加熱的過程中需要把溫度控制在70℃到120℃之間，控制燈管的發熱便于在加熱過程中方便調節溫度，采用交流固態調壓的方式控制瓶坯加熱的溫度。固態調壓器是集同步變壓器、相位檢測電路、移相觸發電路和輸出可控硅與一體，通過調節偏置電壓，改變耦的控制發光強度，從而改變高壓端的等效電阻，達到控制電壓的目的。

二、電器元件硬件配置介紹

1、 PLC控制器模塊

選用西門子s7-1500作為CPU的控制，ET200SP作為從站控制，由于吹瓶還有其他的控制較多，瓶坯加溫的控制作為一個從站。S7-1500是一種模塊化控制系統，廣泛應用于離散自動化領域中的各種自動化應用，其優勢：模塊化、無風扇設計；通過簡單的方式實現分布式結構、處理方式簡單。其CPU的定位號為6ES7 516-3AN01-0AB0，固件功能有：集成系統診斷、集成Wed服務器、集成跟蹤功能、OPC UA、組態控制、PROFINET IO（RT實時、IRT等時實時、等時同步模式、MRP介質冗余協議、MRPD支持有計劃復制的介質冗余、共享設備、PROFIenergy）、集成工藝功能（運動控制、集成閉環控制功能）、集成安全（專有技術保護、防拷貝保護、訪問保護、完整性保護、密碼提供程序）。

從站模塊選擇ET200SP，該模塊具有分布式I/O系統支持PROFINET I/O連接；電源電壓1L+24VDC連接插頭；通過BusAdapter的RJ45總線連接器（BA 2XRJ45）或直接連接的總線電纜，連接PROFINET IO；使用故障安全模塊等技術特性。連接的通訊接口模塊為6ES7 155-6AU01-0BN0，通訊接口模塊的功能：集成雙端口交換機；支持以太網服務、網絡診斷、端口診斷；禁用端口；等時同步實時通信；更新時間最短為1MS；優先啟動；介質冗余；共享設備；相應I/O模塊上支持子模塊；不通過PG和拓撲組態更換設備；通過PROFINE IO復位為出廠設置；通過PROFINE IO進行固件更新；通過 BusAdapter 連接PROFINET IO系統。接口模塊上有PWR LED指示燈，指示燈是滅的標識電源電壓缺失或者過低，亮表示正常。總線適配器上的LK1/LK2 LED指示燈，如果是滅的標識與通訊接口之間沒有以太網連接，閃爍表示已運行。接口總線還有RN（綠色）、ER（紅色）、MT（黃色）LED指示燈，指示燈狀態的含義以及措施如表1。

表.1

發熱燈管用AC380V的發熱絲，方便燈管的發熱溫度可調，就需要調節其中一相電壓，控制模塊選用模擬量輸出模塊，利用數據的方式傳送到固態調壓器，模擬量模塊選用6ES7 135-6HD00-0BA1，該模擬量輸出模塊有4個輸出通道，可以使用電流輸出、電壓輸出。電流輸出的范圍有±20mA，精度16位；0到20mA，精度15位；4到20mA，精度14位。電壓輸出的范圍有±10V精度16位；±5V，精度15位；0到10V，精度15位；1到5V，精度13位。該控制系統使用的輸出類型范圍是電壓型的0到10V。

為了在維護、檢修的過程中更好的保護工作人員，發熱燈管另一條電源線路使用固態繼電器控制，固態繼電器的控制信號就由數字量輸出模塊傳遞信號。數字量輸出的模塊的定位號為6ES7 132-6BH01-0BA0，該模塊的是源型16個晶體管數字量輸出模塊，加溫從站的組態模塊連接如圖1。

圖1.加溫PLC從站組態模塊排列

2、燈管控制開關配置

控制燈管的發熱程度是讓PLC的模擬量把數據傳送到調功器上，經過調功器把調節好的電壓給到燈管，這樣燈管的發熱就可以受到控制。調功器是以小功率控制大功率，功率放大倍數高達幾十萬倍；反應極快，在微秒級內開通、關斷；無觸點運行，無火法、無噪音；效率高，成本低等。RGC1P48V42ED是一個固態調功器（帶有集成散熱器），可以通過模擬量控制輸入控制單相負載的輸出功率，輸入類型涵蓋各種不同電流和電壓。可通過外部電位計進行本地設置。可通過前置旋鈕選擇開關模式，實現相角控制、全周期控制、短波紅外線加熱器專用的高級全周期控制以及用于限制搞溫度系數負載浪涌電流的軟啟動。輸出集成壓敏電阻保護。控制輸入范圍有4到20mA、0到5V、1到5V、0到10V、外部電位計。為了配合PLC的輸出類型一致，控制范圍選擇0到10V。

圖2.燈管控制主電路圖

加溫燈管的一相供電經過調功器后，為了構成有效的回路，也為了在維修、維護的過程中有效地保護工作人員，另一相線路線路用固態繼電器控制。固態繼電器（Solid State Relay，縮寫SSR）是用半導體器件代替傳統電接點作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點開關器件，是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點開關；一端為輸入端，另一端為輸出端，中間采用隔離器件實現輸入輸出的電隔離。其中一個調功器與固態繼電器、加溫燈管連接控制如圖2。

三、程序控制

確定控制加溫燈管的元器件，把元器件用電纜連接好后，接下來就是需要編寫控制加溫燈管的邏輯程序，程序控制邏輯用博圖（英文名：TIA Portal）的軟件編寫，博圖是西門子工業自動化集團發布的新一代全集成自動化軟件。幾乎適用于所有自動化任務。借助這個軟件平臺，能夠快速、直觀地開發和調試自動化控制系統。與傳統的方法相比，無需花費大量時間集成各個軟件包，顯著地節省了時間，提高了設計效率。

程序編寫方式是用SCL（英文名：Structured Control Language）結構化控制語言編寫，隨著工業自動化數據處理日益復雜、通訊任務日益增多，在調試過程中方便調試人員查找問題。每一個調功器的型號、運用類型都是一致，為了方便數據交換，做一個FC塊給到每一個調功器調用，這樣節約了大量的時間去針對每一個調功器去編寫程序、調試。

圖3.PET瓶坯加溫數據語言邏輯運算程序

打開博圖軟件，建立好一個新項目后，在程序塊中建立一個FC類型SCL語言的塊，在程序塊中建立外部連接變量接口。在輸入里建立1個Bool類型的“start”，3個Real類型的“set”、“Rated V”、“Measured V”。“start”是加溫啟動的信號，“set”是設定給加溫的百分比，“Rated V”是燈管的額定電壓參數，“Measured V”是設備當前讀到的供電電壓的參數。在輸出建立1個Int類型的“OUT1”。“OUT1”是經過數據交換后把最終的數據傳送到模擬量輸出上。在臨時變量中建立一些臨時變量，方便在計算中存儲運用，主要程序如圖3。

當給定一個百分數值到“set”乘以燈管的額定電壓除以實際供電電壓后再乘以一個常數27648，其中的27648是對應到輸出范圍的0到10V的最大值，當“start”為THEN的時候就輸出經過經過換算之后的值到調功器，否則就是輸出一個為0的值，如果在計算中有誤，輸出的數值大于27648的時候，輸出的值也是27648，這樣防止輸出值超過最大值，以免影響調功器的精度。編程的邏輯通俗易懂，也方便剛入行的人學習。

四、結束語

本硬件配置和控制邏輯程序經過調試，能達到吹瓶時工藝要求。調功器的體積小，占用的空間不大，可以給客戶騰出地方存放其他物品，如果對于程序邏輯存在有疑問或者需要增加其他參數進行計算調節電壓，打開程序隨時都可以修改并下載到CPU中。