摘 要：采用貝加萊B&R 2000系列PCC實現(xiàn)對同向雙螺桿塑料擠出機、雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機的控制。本文對該控制系統(tǒng)的組成和控制技術(shù)進行了分析，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)和難點進行了論述。
關(guān)鍵詞：PCC； 雙螺桿塑料擠出機； 控制系統(tǒng)
中圖分類號：         文獻標識碼：B
Application of PCC in the Control System of
Equidirectional Twin-screw Plastic Extruder
abstract:  The control system of Twin-srew extruders and  Twin-rotor continous mixers have been realized by the application of B&R 2000 series PCC. The configuration and  control technique have been  analyzed in this article,the major techniques and difficulties in this control system have been illustrated and discussed as well.
0 引言
      PCC以其豐富的編程語言、靈活的模塊化組合方式、可靠的性能、強大的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和I/O總線通訊能力等優(yōu)勢，廣泛地應用于多種工業(yè)領(lǐng)域。如橡塑機械、化工裝備、紡織機械、印刷機械、包裝機械等，并正在向越來越多的工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展。在橡塑機械領(lǐng)域中，目前控制系統(tǒng)的控制方式主要有傳統(tǒng)的繼電器控制模式、PLC控制模式、PCC控制等模式；此外、大型裝置多采用DCS集散控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的繼電器控制模式的優(yōu)勢在于其良好的性價比及發(fā)展多年的成熟技術(shù)；PLC控制模式可實現(xiàn)一般的邏輯連鎖和順序控制；PCC控制模式由于采用了實時多任務操作系統(tǒng)，提供了多個具有不同循環(huán)時間及不同優(yōu)先級的任務等級，因此它將應用程序的掃描周期與外部的控制周期相區(qū)別，真正滿足實時控制的要求。并且使用Automation Studio編程開發(fā)環(huán)境具有強大的硬件組態(tài)能力，包括梯形圖LAD、指令表IL、結(jié)構(gòu)文本ST、順序功能圖SFC及高級語言Automation BASIC、Ansi C等多種編程工具，使得PCC的組態(tài)及編程簡單明了。這些都為PCC在橡塑機械領(lǐng)域的應用提供了極大地方便。
1.      同向雙螺塑料擠出機的工作原理
      同向雙螺桿塑料擠出機主要由驅(qū)動系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、主機混煉系統(tǒng)、喂料系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、切粒系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)及輔機系統(tǒng)等部分組成（見圖1）。

圖1  同向雙螺桿塑料擠出機構(gòu)成

      原料和添加劑從給料斗經(jīng)喂料系統(tǒng)進入塑料擠出機，物料通過溫控系統(tǒng)以合適的溫度在擠出機中熔融混煉，由液壓換網(wǎng)系統(tǒng)和真空系統(tǒng)去除雜質(zhì)和廢氣，混煉后的樹脂熔體在一定壓力下通過造粒模板被擠出，經(jīng)冷卻、切粒輸送至料倉。主驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速、喂料機轉(zhuǎn)速和切粒機的轉(zhuǎn)速均可根據(jù)生產(chǎn)能力調(diào)節(jié)控制。
2.      同向雙螺桿塑料擠出機控制系統(tǒng)的組成
      本文以出口美國的SHJ-72型同向雙螺桿塑料擠出機控制系統(tǒng)為例做一闡述。
控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。

圖2  同向雙螺桿塑料擠出機控制系統(tǒng)的構(gòu)成

      控制系統(tǒng)采用IPC+PLC（即PCC）的控制方式，上位機IPC為研華的一體化工作站（也可采用貝加萊公司的PROVIT系列工業(yè)級PC，其它品牌的一體化工作站或平板電腦）構(gòu)成，主要用于數(shù)據(jù)處理、HMI監(jiān)控及組態(tài)編程，它通過IF622模塊的RS232通訊口與PCC通訊。PCC是整個控制系統(tǒng)的核心，主要完成數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)采集和邏輯控制。它通過AT660、DI476、DI486、DO486、DO650、AM051等B&R2005I/O模塊與溫控固態(tài)繼電器、電磁閥及現(xiàn)場的測溫熱電偶、壓力傳感器、扭矩傳感器、接近開關(guān)、限位開關(guān)等相連接，接收和控制相應的執(zhí)行機構(gòu)。雙螺桿主驅(qū)動電機、喂料機、切粒機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通過IF622模塊的RS485通訊口，采用MODBUS通訊協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。通過此法可減少許多硬接線，減輕安裝工作量，降低成本，同時可大大提高系統(tǒng)的可靠性。
      雙螺桿主驅(qū)動負載為恒扭矩特性，因此多數(shù)情況下使用直流電機，其轉(zhuǎn)速控制通常用全數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動實現(xiàn)。目前，隨著電子技術(shù)及控制技術(shù)的發(fā)展，已有許多雙螺桿塑料擠出機采用了矢量控制變頻調(diào)速方式。
喂料機、切粒機及其它輔機的調(diào)速均可通過變頻器完成速度控制，使之滿足工藝要求，并保證協(xié)調(diào)運行。
3.      軟件編程的實現(xiàn)
      下位機PCC使用貝加萊公司的Automation Studio編程開發(fā)環(huán)境，組態(tài)、編程靈活、功能強大，可以方便地對硬件進行組態(tài)，也可以使用一種或多種編程語言進行軟件編程。編程語言面向用戶，這使得控制程序的編程工作大大簡化，開發(fā)調(diào)試極為方便。

圖3  下位機AS組態(tài)畫面

      首先根據(jù)所選PCC型號及模塊對硬件進行組態(tài)。然后添加系統(tǒng)任務、功能庫和通訊固件。最后對不同的循環(huán)任務選擇適當?shù)娜蝿罩芷跁r間，按照功能編寫應用程序。圖3為已完成的雙螺桿塑料擠出機組態(tài)畫面。
      上位機采用北京亞控科技公司研發(fā)的基于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)平臺的組態(tài)軟件平臺“組態(tài)王”Kingview6.51作為該系統(tǒng)的組態(tài)編程工具。組態(tài)畫面見圖4。

圖4  上位機雙螺桿擠出機組態(tài)的運行畫面

      由于PCC的所有程序及數(shù)據(jù)都在CPU上處理，它的I/O口都是在程序中調(diào)用的，所以編程時與硬件設(shè)備無關(guān)，因此編程極為容易。
軟件編程主要針對以下幾點：
（1） 人機對話界面：可實時顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)；對系統(tǒng)設(shè)備進行控制操作；并可根據(jù)需要顯示和設(shè)置系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)、報警內(nèi)容、修改工藝配方、實時趨勢圖、歷史報表等。見圖4。
（2） 溫度控制：溫度控制由循環(huán)任務1（Cyclic #1 -【10ms】）和循環(huán)任務3（Cyclic #3 -【500ms】）的應用程序完成（C語言編寫）。包括雙回路智能化PID控制器運算和加熱/冷卻脈寬輸出運算，利用PCC分時多任務特點，將PID調(diào)節(jié)與加熱/冷卻輸出分時控制，并可根據(jù)優(yōu)化指令自動優(yōu)化PID參數(shù)，其控制精度可達±1℃?？勺x取各區(qū)實際溫度、加熱/冷卻狀態(tài)并在觸摸屏上顯示、修改溫度設(shè)定值、PID參數(shù)等。
（3） 調(diào)速控制：主驅(qū)動電機為直流電機，選用英國歐陸公司的E590系列直流調(diào)速器。喂料機選用西門子、ABB、三菱、臺達等系列變頻器進行調(diào)速控制。只需在數(shù)據(jù)任務（Data objects）的Datamod中定義好直流調(diào)速器及各種型號變頻器的MODBUS數(shù)據(jù)通訊格式，即可實現(xiàn)在應用程序中與設(shè)備無關(guān)的變量調(diào)用。操作時可在IPC觸摸屏上任意修改轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)主機、喂料機的精確速度給定。同時直流調(diào)速器、變頻器將電流、轉(zhuǎn)速等參數(shù)通過MODBUS通訊反饋給主PCC，并在觸摸屏上進行顯示和進行超限報警保護控制。
（4） 通訊控制：主要包括PCC與IPC及PCC與直流調(diào)速器、變頻器及其它智能儀表兩大部分。在通訊控制程序中采用主從站智能分布式拓撲結(jié)構(gòu)的MODBUS總線通訊協(xié)議方式，將各種智能儀表以無格式方式與PCC建立通訊連接，進行數(shù)據(jù)交換。
（5） 聯(lián)鎖和邏輯控制：在循環(huán)任務4（Cyclic #4 -【500ms】）中通過使用梯形圖LAD或Automation BASIC語言完成的應用程序的編寫。能夠根據(jù)系統(tǒng)工藝要求實現(xiàn)自動控制，完成完美的邏輯控制。
4.      功能的實現(xiàn)及技術(shù)要點
      在控制系統(tǒng)設(shè)計及開發(fā)過程中，實現(xiàn)的功能及技術(shù)要點主要有：
（1） 通過MODBUS方式實現(xiàn)PCC與直流調(diào)速器、變頻器及其它智能儀表數(shù)據(jù)通訊，即簡化了編程難度，又減少了硬接線，節(jié)約了成本、還提高了控制系統(tǒng)的可靠性。
（2） 同向雙螺桿塑料擠出機溫度控制是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。控制的質(zhì)量及穩(wěn)定性將直接影響到混煉造粒的工藝流程和最終產(chǎn)品的質(zhì)量。采用積木式機筒，多個溫控區(qū)分別進行精確溫度控制，PID加熱/冷卻雙向控制，控制精度可達±1℃，確保同向雙螺桿擠出機的正常運行。
（3） 功能豐富的系統(tǒng)狀態(tài)及系統(tǒng)參數(shù)實時監(jiān)控，各種參數(shù)實時修改。主機轉(zhuǎn)速、喂料機轉(zhuǎn)速、切粒機轉(zhuǎn)速及其它調(diào)速設(shè)備實時調(diào)節(jié)。
（4） 系統(tǒng)具有完善的保護功能及整機工藝控制聯(lián)鎖。出現(xiàn)過電流、過載及熔體壓力過高等異常情況時自動停機，保護設(shè)備。
（5） 由于PCC采用了模塊化結(jié)構(gòu)，所以配置靈活方便；控制系統(tǒng)上的Ethernet網(wǎng)絡(luò)接口和主從站結(jié)構(gòu)方式，非常便于系統(tǒng)擴充和升級，并實現(xiàn)群控。
（6） 抗干擾設(shè)計是控制系統(tǒng)中的主要內(nèi)容之一。如強電弱電隔離、良好的接地系統(tǒng)、控制信號線采用屏蔽線、合理布線減少線間干擾等。確保控制系統(tǒng)的可靠運行。此外PCC各模塊對I/O接口電路都采用了光電隔離技術(shù)，可有效抑制干擾信號。
（7） 通過基于Web的上位機組態(tài)軟件HTML格式向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布工程，使用標準的瀏覽器（如IE），可以實時地查看圖形顯示，歷史曲線，報警信息，同時根據(jù)權(quán)限進行報警應答，變量修改等操作。輕松實現(xiàn)遠程查詢、遠程故障診斷與故障處理。
（8） 對程序稍加修改，既同樣適合于雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機和雙階擠出機的控制。
（9） 對控制點數(shù)較少的控制系統(tǒng)，為降低成本，增強市場競爭，也可使用B&R2003系列PCC。
5.      結(jié)束語
      根據(jù)上述對整個控制系統(tǒng)的分析闡述，我們可知同向雙螺桿擠出機控制系統(tǒng)對自動化程度要求較高，控制環(huán)節(jié)和過程也較復雜。采用PCC后，整個控制系統(tǒng)在先進性、可靠性、控制精度和功能諸多方面都達到了較高的水平，保證了擠出機的運行穩(wěn)定、安全可靠。目前，基于PCC研制的同向雙螺桿塑料擠出機、雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機和雙階擠出機，在國內(nèi)外已經(jīng)成功應用了數(shù)十臺（套）。
參考文獻
1.      齊蓉、肖維榮.可編程計算機控制器原理及應用.西北工業(yè)大學出版社.2002
2.      B&R2000高級編程技術(shù).貝加萊培訓教程.2003
3.      天華院. Operating Manual for SHJ-72 Twin-Screw Extruder.2006
4.      研華科技.PPC-126T用戶操作手冊.2006
5.      亞控科技.組態(tài)王用戶手冊（6.5.1.1）.2005
作者簡介
吳 農(nóng) （1961- ），男，江蘇宜興人，高級工程師，主要研究方向為工業(yè)電氣及儀表自動化控制。