PET-G廢料回收系統的自動控制

郭景宏，薛凱，張磊

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060)

熱收縮薄膜（PET-G）作為一種塑料薄膜，不僅具有環保性、耐化學性，而且其制品具有良好的性能，容易加工，可回收二次利用，主要用于醫療保健品、生物性包裝等領域[1]。然而，PET-G廢料碎料顆粒大小不一、質量不均，真空吸粉量不穩定，擠出機頭壓力波動范圍大，這些問題不僅對真空上料機有較高要求，還需對計量稱喂料量精確控制。本文主要介紹了軟件設計、硬件構成特點，系統功能實現方法和控制技術的改進。

1 系統簡介

PET-G熱收縮膜廢料回收新生產線主要設備有破碎機、上料系統、除塵分離系統和喂料系統，流程如圖1所示。首先將廢料二次破碎，通過真空上料機吸到二樓大料倉，經除塵金屬分離后，計量喂料系統加料到擠出機，新系統融到老系統，廢料與粒料混合生產，實現廢料回收再利用。

圖1 PET-G廢料回收系統流程圖

1.1 硬件構成

擠出機組控制部分硬件系統包括動力變頻柜、元器件控制柜，現場包括料位計、壓力傳感器等，以及計量喂料系統。

現場諸多電機取故障信號、啟停信號，實現系統的自動加手動多重啟停方式；計算稱喂料量，多次淘洗除塵及金屬分離，以保證膜質量，實現對壓力、系統自動運行的精準控制。筆者選用SIEMENS S7-1200，在Portal 16.1中進行組態，設備硬件組態畫面如圖2所示。主機CPU、工控機、計量稱三者之間采用Profinet通訊，監控畫面傳到上位機WinCC RT Advanced顯示。

圖2 設備硬件組態圖

擠出機控制系統設計采用PLC+HMI模式，實現轉速、電流的采集、讀取和顯示，系統之間的聯鎖保護、故障報警提示，主機與喂料稱之間的通信以及整套系統畫面監控等功能。

1.2 軟件設計

根據工藝要求，軟件設計包括電機自動啟停、料位聯鎖保護、故障報警提示，及主機與喂料稱之間的通訊等過程。新系統控制總覽如圖3所示,可以在工控機屏讀取數據，觀察運行過程，并根據工藝要求進行PLC編程，使料位計控制電機啟停喂料。大料倉設有三處料位計，分別是L位、HH位、H位。在L料位狀態下，先啟動輸送風機，20 s后啟動粉粹電機進行二次破碎，接著除塵器A啟動，大料倉攪拌電機和喂料電機也隨之啟動。自動停止聯鎖恰好相反，大料倉料位達到H時，大料倉喂料機停止運行，二次粉碎機停止，接著延遲20 s輸送風機停止，最后除塵器A停止。料位聯鎖保護是在大料倉HH料位，此時該倉喂料停止；如果輸送風機故障報警，則大料倉喂料停止，隨之二次粉碎機、主機喂料也停止。

圖3 新系統控制總覽圖

圖4 是在整個系統運行時，大料倉攪拌電機自動啟停情況展示，可以看到通過料位高低控制大料倉攪拌電機啟停，在聯鎖保護下，保證了各電機按工藝要求正常運行。廢膜經過破碎機粉碎后，需要重新通過失重式計量秤加料到雙螺桿擠出機，最后經過模頭成型、拉膜，將廢料回收利用得到新熱塑膜。

圖4 大料倉攪拌電機啟停展示圖

2 控制系統特點

PLC模塊組成如圖5所示。操作顯示在工控機，CPU為SIMENSE S7-1200系列1215，其他數字量輸入與輸出在西門子網站上挑選目前最新模塊。

圖5 PLC模塊組成圖

整個系統程序由TIA Portal V16編程軟件開發，S7-1200 PLC作為整個控制系統核心部分，通過自帶I/O口和拓展DI、DO模塊對料斗開關、電機遠程啟停以及變頻器故障報警進行控制。模擬量輸入EM231模塊，對變頻器參數進行反饋控制，EM232模擬輸出模塊調節電機轉速。

3 機頭壓力控制

機頭壓力不穩定，會導致拉膜厚度不一、粗糙程度不同，本文采用手動加自動方法來控制機頭壓力。其中，保持螺桿轉速和計量泵轉速不變，隨著壓力的浮動調節喂料量，計量泵轉速確定產量，手動粗略設定喂料量Sv，再通過自動微調穩定機頭壓力。手動喂料量由泵轉速確定；喂料稱喂料量=手動喂料量±自動喂料量Mv。整個控制是在閉環狀態下完成，控制原理如圖6所示。工控機上設定壓力值，壓力信息經通信線路傳輸到PLC，機頭壓力也由傳感器讀入PLC，兩者比較后差值e經過PID計算用于調節喂料量。在整個開機過程中，傳感器不斷地把實時壓力傳送到PLC中進行數值比較，如果當前壓力值高于或低于設定值，PLC就發出指令，調節喂料量以達到控制壓力的目的，使機頭壓力維持在一個穩定范圍內[2]。

圖6 壓力控制原理圖

喂料稱自動加料，PLC程序調用模塊，通過模塊在程序中編寫喂料量程序，圖7是稱重模塊程序。TIA Portal V16編程軟件寫入喂料量程序，使得計量稱能夠自動調節，保持壓力穩定，即計算出壓力變化控制量e，e與手動調速狀態下穩定值相加，得到閉環轉速值Pv，通過模擬量輸出模塊EM232輸出4-20 mA信號，控制變頻器從而實時調節主電機電流。

圖7 稱重模塊程序

程序設計中通過模塊輸出控制變化量，由Profi net通訊方式直接寫入計量稱，設定每臺稱當前喂料量，老系統已有三臺稱，現又增加了一臺，編程寫入，使得整個系統每臺稱喂料量合理，每臺稱喂料量百分比設定，總和為100%。新系統喂料情況如圖8所示，從圖中可以看到實時參數，這臺新喂料稱設定是100 kg/h,料重量為28.78 kg,還可以觀察到喂料螺桿轉速和從開機到當前的累計喂料量。

圖8 新計量秤喂料情況

4 應用效果

PET-G廢料經過二次破碎后，碎膜蓬松、密度不均（0.1～0.3 g/cm3）、質量不恒定，因此喂料螺桿需要特殊制作，對于一定密度范圍內的料，通過手動設定、自動調節、喂料稱通訊，進行合理喂料，來穩定機頭壓力。整個開機過程中壓力比較穩定，其值大致在2.3～2.8 MPa，壓力浮動基本控制在0.5 MPa以內，達到指標要求，控制情況良好。

5 結束語

廢料PET-G熱收縮膜生產線回收控制系統工況復雜，對于真空吸粉、喂料有較為苛刻的要求，本次設計首先將廢料二次破碎，產生顆粒大小不一、密度不均的蓬松料，真空吸粉到二樓大料倉，吸粉機螺桿特殊制作，從而將密度不一的顆粒順利吸到大料倉，料位計控制攪拌電機啟停，隨之一系列聯鎖保護保證工藝要求，經過多次除塵，金屬分離，PLC調用稱重計量模塊能夠精確控制喂料量，保證壓力平穩，系統運行穩定，最終使生產的熱收縮膜厚度均勻、質量良好，滿足客戶要求。