台达自动化产品在同向双螺杆挤出机上的应用设计

［编辑简介］：本方案针对双螺杆挤出机设备的特点，利用台达PLC、变频器、HMI等全套自动化产品，为客户实现同向双螺杆挤出机的全自动控制。文章对系统的硬件配置、架构及上位机画面功能等内容作了详细说明。
［摘要］：本文针对双螺杆挤出机设备的特点，利用台达全套自动化产品，为客户实现同向双螺杆挤出机的全自动控制。此系统充分利用台达各产品的强项，并用HMI和PLC将这此产品整合，达到强强联合的效果。此套控制系统，构架巧妙，控制精度高，为客户提供了一个性价比优异的控制方案。
［关键词］：双螺杆挤出机、台达、控制精度
　
Abstract: This article mainly introduces the characteristic of co-rotating twin screw extruder.It realizes automaic control of co-rotating twin screw extruder for customers. This system utilizes each Delta’s products’ advantage and integrates them with HMI and PLC. Thus it can acquire a good result.This control system offers a high performance-price ratio control scheme with its good framework and high control precision.
Key words: Co-rotating twin screw extruder, Delta, Control Precision
　　
1 前言
　　在橡塑机械领域中，作为聚合物加工的主要设备之一，同向双螺杆挤出机以其优异的分散和分布混合能力、较窄的停留时间分布、优良的自洁性等特点，广泛地用于聚合物配混、排气及反应挤出等领域。
　　目前双螺杆挤出机控制系统的控制方式主要可分为传统的继电器＋温控表控制模式、PLC控制模式和DCS控制模式。传统的继电器＋温控器控制模式的优势在于价格便宜，缺点是电柜尺寸大，线路复杂；DCS主要用于大型生产线，档次高，但价格昂贵。而以PLC为控制核心的控制模式是目前挤出机控制系统的主流。
　　在本文中，作者和大家分享利用台达全套自动化产品，开发的同向双螺杆挤出机控制系统，本系统充分利用台达机电产品的高灵活性和扩展性，这些都为PLC在橡塑机械领域的应用提供了极大地方便。
　　
2 同向双螺塑料挤出机的工作原理
　　同向双螺杆塑料挤出机主要由主驱动电机、传动系统、温控系统、喂料系统、真空系统、切粒系统、输送系统及辅机系统等部分组成（见图1）。
　　
　　　　　　　　　　　　　图1 同向双螺杆塑料挤出机构成图
　　原料从料斗经喂料系统进入塑料挤出机，物料通过温控系统加热后以合适的温度在挤出机中熔融混炼，由真空系统去除废气，混炼后的熔体以一定的压力通过造粒模板被挤出，经冷却、切粒输送至料仓。此设备中，主驱动电机转速、喂料机转速的转速均可根据生产能力调节控制。
　　
3 选型配置：
　　3.1 调速部分
　　此设备的主驱动电机为三相交流异步电机，电机功率为11KW，变频器采用台达VFD-B系列高机能，矢量控制型变频器110B43A，此变频器适合带动恒转矩负载，起动转矩大，在150%额定电流的过负载情况下，可以连续工作1分钟，此性能在挤出机启动时（此时设备的阻力最大）十分重要。
　　喂料电机采用台达迷你型M型变频器，此型号变频器体积小巧，还具备简易矢量功能 ，并可实现电机的静音运行。
　　台达变频器都内建RS485接口，通讯协议为标准的MODBUS。
　　主电机变频器和喂料电机变频器的频率给定是由PLC通过RS485接口给定，操作时可在B05S100触摸屏上任意修改转速，实现主机、喂料电机的精确速度给定；同时PLC通过MODBUS通讯读取变频器的工作频率和电流，了解设备的工作情况，并在触摸屏上进行显示，当PLC读取变频器的输出电流达到设定报警电流值并持续一定时间时，PLC会停止主机运转，提示操作人员查找故障原因。
　　3.2 温控部分
　　挤出机工作时，如果挤出温度过低，会使出料口不畅，造成挤出机构负载过大；如果挤出温度过高，则可能改变原料特性，导致成品报废；因此挤出温度控制决定着塑料挤出机的性能。挤出机的加热装置采用的是电加热，而冷却采用水冷，通过控制排管中水循环带走热量，因此要求温控表具有双输出功能。
　　根据以上要求，我们采用DTE模块化温控器，6个温控区分别进行精确温度控制，控制模式为PID，加热/冷却双向控制，并可自整定，温度控制精度可达±1℃，这样可确保同向双螺杆挤出机的正常运行。加热的输出选择的是电压脉冲输出，用来驱动SSR，冷却的输出选择为继电器输出 ，直接带动电磁阀。
　　另外，此设备还要在机头处检测熔体压力和温度，熔体压力变速器过来的信号为0-10V,对应0-25MPA，熔体温度过来的信号为分度号为K的热电偶信号。如果要将检测熔体压力，传统的方法是使用PLC的模拟量模块，但是为1-2路信号选1个4路模块在成本上来说有点高，而由于台达DTE温控器有扩展DTC温控器的能力，因此我们选择2台DTC2000R作为DTE的扩展，DTC和DTE共用电源线和通过线，并且DTC既可接温度传感器信号,又可接标准的0-10V和4-20Ma信号，这样既减少了接线，又使节约的客户的成本，体现了台达产品配套时的灵活性和高经济性。
　　3.3 主控PLC和触摸屏
　　触摸屏根据客户要求，选择台达5.6寸B系统触摸屏B05S100，此触摸屏利用其多通讯口的优势，COM1口与PLC相联，设置设备的工作参数，COM2口通过RS485与DTE温控表相联，显示与设置DTE的当前值与目标值。
　　PLC选择的是台达小型高性能EH2系列PLC，DVP48EH00R2, 是控制的核心。开关电源选择的也是台达工业平板电源PMC-024V100W1AA，此产品为全铝外壳，输出能力强。
　　3.4  最终配置：
　　（1）PLC: DVP48EH00R2*1
　　（2）人机界面： DOP-B05S100
　　（3）变频器: VFD0110B43A+VFD015M43B
　　（4）开关电源：PMC-024V100W1AA
　　（5）温控器：DTE10T*1+DTE20T*1+DTE20V*2+DTE20R*2+DTC200R*2
　　
4 系统架构
　　系统框架如图2所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2  系统架构图
　　其中，台达模块化的DTE温控器用来控制温度，B05S100触摸屏利用其多通讯口的优势，COM1口与PLC相联，设置设备的工作参数，COM2口通过RS485与DTE温控表相联，显示与设置DTE的当前值与目标值，PLC用来控制整机的逻辑，VFD-B变频器用来给主驱动电机调速，VFD-M迷你型变频器用来给喂料电机调调速，PLC通过内建的RS485口与两台变频器通讯，设定变频器的工作频率，读取工作时的转速与电流。
　　
5 上位机画面功能
　　5.1温度参数设置画面
　　温度的设定与显示画面如图3所示，此功能是触摸屏直接通过屏的RS485口与DTE和DTC通讯。

　　　　　　　　　　　　　　　　　图3 温度参数设置画面
　　5.2正常开机流程画面
　　此设备的工艺流程是，首先，温控器先控制执行元件让机器升温到正常工作温度，然后打开油泵，油泵打开后才能开主机，主机启动后，喂料电机才可启动。其它电机如水泵，真空泵，切粒等电机在需要时启动。如果没有异常，机器就这样正常运行下去。
　　在台达B05S100屏上设置主机及喂料电机的频率，还包括主机运行时的报警电流准位，如图4所示：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4 正常开机流程画面
　　5.3 触摸屏宏程序说明
　　触摸屏启动时，会先执行INITIAL宏程序（如下），将DTE, DTC温控器的工作模式及传感器类型与范围做个设定，之后，DTE自动进行温度控制。


　　5.4 保护及报警处理
　　此控制系统具备保护功能及整机工艺联锁控制。当出现过电流、过载及熔体压力过高等异常情况时，自动停机，保护设备。
　　在PLC程序中，PLC判断熔体压力及主机电流是否超限，如果超限并且持续时间超过一定时间，报警停机，并在触摸屏上显示。
　　当外部设备发生故障时，如空开跳闸，同样可通过HMI报警，方便故障诊断和维修。以下是设置和显示的画面，见图5。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5  系统报警画面
　　5.5 状态显示
　　正常生产时，操作人员可通过状态画面，能实时了解当前机器的工作情况，方便工艺参数的调整，见图6。在温度控制方面，触摸屏程序还提供了温度曲线查看及温控器输出百分比柱状图查看，方便客户对产品的品质进行监控，见图7和图8。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　图6  状态显示画面

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图7 温度曲线图

　　　　　　　　　　　　　　　图8 温控器输出百分比柱状图
　　5.6 PLC与变频器通讯程序
　　由于台达PLC内建MODBUS便利通讯指令，因此在程序中使用十分方便，编程时最重要的就是保证在同一时刻，只有1条通讯指令执行，并且当通讯完成后，立刻触发下1笔通讯，保证通讯速度。见图9.

　　　　　　　　　　　　　　　　　图9  PLC与变频器通讯程序
　　
6  结束语
　　此设备调试完成后，得到了客户的好评。台达自动化产品在同向双螺杆挤出机上成功的应用表明，通过成套使用台达产品，可使设备的控制架构最优化，成本最省化，使客户的利益最大化。运行实践表明，系统性能稳定，安全可靠，性价比高，值得业界同行借鉴和推广。
　　【参考文献】
　　[1] 台达全系列可编程序控制器  台达内部资料  2008年
　　[2] 郭宗仁等. 可编程序控制器应用系统设计及通信网络技术. 人民邮电出版社，2002年
　　[3] 变频器在工业中的选择与应用 刘继党等 科技信息    2009年第23期