摘要：
本文介紹了PLC在紙漿模塑生產(chǎn)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，重點(diǎn)敘述了成型機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件配置和功能設(shè)計(jì)。利用PID自整定功能實(shí)現(xiàn)真空泵恒負(fù)壓控制。利用易控(INSPEC)實(shí)現(xiàn)成型機(jī)生產(chǎn)的在線監(jiān)控，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量并生成報(bào)表。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)的成功解決了目前紙漿模塑生產(chǎn)中負(fù)壓波動(dòng)大、耗能大、廢品率高的問題，提高了工作效率，節(jié)省了資源，降低了生產(chǎn)成本，具有很好推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞：紙漿模塑成型機(jī)；易控(INSPEC)；恒定負(fù)壓；監(jiān)控系統(tǒng)
引言
紙漿模塑工藝在我國最早應(yīng)用于紙餐盒、紙托盤的生產(chǎn)，現(xiàn)已越來越廣泛的應(yīng)用于儀器儀表、家用電器等進(jìn)出口產(chǎn)品的包裝中。紙漿模塑制品是一種新型的環(huán)保包裝材料，具有可重復(fù)回收利用、生產(chǎn)過程環(huán)保、生產(chǎn)成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。紙漿模塑制品的生產(chǎn)以廢紙或紙漿為原材料，經(jīng)過調(diào)漿碎漿、成型、烘干、整型等工序，成為具有環(huán)保、防震、防水性能的優(yōu)質(zhì)包裝產(chǎn)品。
為了能在低值的紙制制品生產(chǎn)中獲取最大的效益，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，提高整個(gè)紙漿模塑生產(chǎn)線的生產(chǎn)管理水平和質(zhì)量管理水平，通過對(duì)原有生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行改造和效能優(yōu)化，真正實(shí)現(xiàn)了全套生產(chǎn)線各個(gè)系統(tǒng)的集中自動(dòng)控制。本文將針對(duì)生產(chǎn)線中重要的成型工序的控制進(jìn)行重點(diǎn)敘述。
1 紙漿模塑成型機(jī)生產(chǎn)過程分析
成型工序由水環(huán)真空泵、真空泵供水泵、空氣壓縮機(jī)、空氣干燥機(jī)、成型機(jī)等組成。成型機(jī)的作用是利用負(fù)壓將配制好的紙漿吸附在紙漿模具上，經(jīng)過壓模、脫水處理，利用正壓使產(chǎn)品從模具上脫落，然后進(jìn)入下一工序。在生產(chǎn)過程中，成型機(jī)對(duì)負(fù)壓穩(wěn)定性要求較高，一般需要負(fù)壓維持在-0.05MPa—-0.06MPa之間。負(fù)壓越低，成型機(jī)的模具吸附的紙漿越少，造成產(chǎn)品的厚度過薄，廢品率增加；負(fù)壓越高，一方面容易造成模具堵塞，影響正常生產(chǎn)，另一方面使得產(chǎn)品的厚度過厚，浪費(fèi)了紙漿和電能。由于成型機(jī)的數(shù)量已構(gòu)成一定的規(guī)模，所以采用集中供應(yīng)負(fù)壓的方式。所需負(fù)壓由兩組真空泵組產(chǎn)生，一組真空泵組包括一臺(tái)真空泵供水泵、一臺(tái)水環(huán)式真空泵。原有的控制系統(tǒng)全部采用接觸器、繼電器等手工操作方式。兩組真空泵組獨(dú)立控制，工頻運(yùn)行，不僅控制方式缺乏靈活性，而且負(fù)壓波動(dòng)也比較大，廢品率較高。每臺(tái)成型機(jī)之間的生產(chǎn)相對(duì)獨(dú)立，因生產(chǎn)品種的不同，需要設(shè)定不同的工藝參數(shù)，由人工記錄生產(chǎn)量并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
為了保證負(fù)壓供應(yīng)的穩(wěn)定，我們利用PLC和變頻器對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行了改造，采用PLC的自整定PID功能，簡(jiǎn)單方便的實(shí)現(xiàn)了真空泵組的自動(dòng)切換和自動(dòng)變頻控制。同時(shí)采用Modbus總線技術(shù)與上位機(jī)易控(INSPEC)組態(tài)軟件通信，不僅實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且能夠自動(dòng)進(jìn)行產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)、提供報(bào)表及打印功能。
2 成型機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
成型機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要包括上位機(jī)組態(tài)界面、通信協(xié)議、PLC控制系統(tǒng)三部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。組態(tài)軟件選用北京九思易自動(dòng)化軟件有限公司開發(fā)的易控（INSPEC）。易控(INSPEC)軟件能夠支持同時(shí)與不同的PLC設(shè)備的通信。
2.1 成型機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)及通信協(xié)議
利用易控(INSPEC)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，如圖2所示。通過動(dòng)畫模擬實(shí)時(shí)的生產(chǎn)狀況，使系統(tǒng)便于觀察和操作；配制好數(shù)據(jù)庫后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存重要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、生成實(shí)時(shí)曲線、統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量、打印報(bào)表；當(dāng)生產(chǎn)過程出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)彈出報(bào)警畫面，自動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)并提示相關(guān)處理操作。
上位機(jī)與不同類型的PLC之間的通信采用不同的通信通道，本系統(tǒng)設(shè)置了1通道與臺(tái)達(dá)PLC通信，2通道與艾默生PLC通信；同種類型的PLC之間采用尋址的方式來區(qū)分，8臺(tái)成型機(jī)分別對(duì)應(yīng)1~8的地址；總線選用Modbus RTU模式，PLC通信端口的設(shè)置要與上位機(jī)通信端口的設(shè)置保持一致。
2.2 真空泵變頻控制硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)保留了原有的手動(dòng)控制，方便在系統(tǒng)的測(cè)試、維修期間，或者在自動(dòng)控制出現(xiàn)問題時(shí)，作為后備功能啟用。真空泵組的手動(dòng)控制和自動(dòng)控制由手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)來選擇。為了節(jié)省成本，在自動(dòng)控制模式下，采用一臺(tái)變頻器控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，變頻器根據(jù)需要在兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)之間進(jìn)行切換。由PLC控制電動(dòng)機(jī)的啟停操作。在負(fù)壓罐的輸出管道上，安裝有負(fù)壓傳感器，用于獲得實(shí)際的負(fù)壓壓力。將測(cè)得的負(fù)壓壓力與給定的目標(biāo)值進(jìn)行比較，通過PID計(jì)算得到變頻器的輸出頻率。整套裝置組成了一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的需要，自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的輸出功率，從而達(dá)到穩(wěn)定負(fù)壓壓力，節(jié)約能源和原材料的目的。
控制系統(tǒng)的硬件配置包括：臺(tái)安N2系列220V/440V 22kw變頻器1臺(tái)、艾默生EC20系列可編程控制器（PLC）、艾默生EC20系列8AD模塊、艾默生EC20系列4DA模塊、負(fù)壓傳感器、以及空氣開關(guān)、斷路器、防雷器等系統(tǒng)保護(hù)性器件，還包括接觸器、繼電器若干，主要用于PLC的繼電器輸出及變頻器在兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)之間的切換。
系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示：
負(fù)壓傳感器負(fù)責(zé)在生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)采集負(fù)壓壓力的信號(hào)，然后通過屏蔽雙絞線將4~20mA電流信號(hào)送到PLC控制系統(tǒng)的8AD模塊中，與PLC中設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行比較，差值送入PID計(jì)算得到一個(gè)控制量，經(jīng)4DA模塊轉(zhuǎn)換成0~10V的電壓信號(hào)，通過改變變頻器的輸出頻率來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)負(fù)壓壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)。
在自動(dòng)模式下，通過變頻器實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，可以有效的減少啟動(dòng)電流對(duì)電動(dòng)機(jī)的沖擊，延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的使用壽命。兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)將依據(jù)變頻運(yùn)行的時(shí)間（我們定為36小時(shí)），輪流作為變頻運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)。在電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行期間，如果變頻時(shí)間達(dá)到規(guī)定的時(shí)間，為了不影響生產(chǎn)，電動(dòng)機(jī)將繼續(xù)變頻運(yùn)行，直到下一次啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換變頻運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)。 考慮到水環(huán)式真空泵存在下限運(yùn)行頻率，把變頻器的頻率下限設(shè)為36Hz，頻率上限設(shè)為50Hz。PLC首先啟動(dòng)變頻運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，如果電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行在50Hz超過一段時(shí)間（我們定為3分鐘），負(fù)壓壓力仍然達(dá)不到目標(biāo)值，系統(tǒng)將自動(dòng)工頻啟動(dòng)另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，并延時(shí)一段時(shí)間以后再進(jìn)行判斷，避免了電動(dòng)機(jī)頻繁啟停動(dòng)作；如果變頻頻率低至36Hz后超過一段時(shí)間（我們定為1分鐘），系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)停止另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，防止外部干擾而讓電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生誤動(dòng)作。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率可以將變頻器的頻率輸出信號(hào)通過屏蔽雙絞線送至PLC的8AD模塊中。
2.3 真空泵變頻控制軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的程序塊主要分為以下幾個(gè)部分：初始化配置，主要有PLC擴(kuò)展模塊8AD、4DA的初始化設(shè)置以及特性參數(shù)的設(shè)置，還有PID各個(gè)控制參數(shù)的設(shè)置；依據(jù)變頻運(yùn)行的時(shí)間，確定變頻運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)和工頻運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)；根據(jù)負(fù)壓傳感器的反饋信號(hào)與設(shè)定的目標(biāo)值比較，進(jìn)行PID運(yùn)算，得到變頻運(yùn)行頻率的控制量；運(yùn)行頻率判斷，根據(jù)判斷結(jié)果，來決定是否啟停工頻運(yùn)行電動(dòng)機(jī)及變頻運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率；電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行信號(hào)、故障信號(hào)檢測(cè)及過電流保護(hù)，變頻器的故障信號(hào)及復(fù)位。艾默生EC20系列PLC編程軟件自帶PID指令向?qū)?，改變了以往PLC實(shí)現(xiàn)PID控制算法難度大的困境，能夠非常方便快捷的生成PID配置程序和PID控制程序，減輕了編寫程序的負(fù)擔(dān)。下面對(duì)程序中幾個(gè)比較重要的部分進(jìn)行詳細(xì)的敘述。
PID控制參數(shù)整定。變頻控制系統(tǒng)選擇了4DA模塊的0~2000對(duì)應(yīng)0~10V的模式，所以需要設(shè)定PID控制的輸出上下限有效，并且設(shè)定輸出下限值為0，輸出上限值為2000，與4DA模塊的輸入數(shù)字量對(duì)應(yīng)，消除了控制的盲區(qū)；采樣時(shí)間要選擇合適，采樣時(shí)間過短PID指令無法執(zhí)行，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，我們選定的采樣時(shí)間為100ms；為了使測(cè)量值變化平滑，將輸入濾波常數(shù)定為10%；選擇10%的微分增益，可以緩和輸出值得劇烈變化；控制系統(tǒng)PID參數(shù)的整定根據(jù)負(fù)壓壓力的實(shí)時(shí)曲線來不斷的調(diào)整，最終定出合適的值。
變頻運(yùn)行時(shí)間計(jì)算及切換。程序流程圖及部分梯形圖如圖4所示。D500、D501、D502分別為停電保持的數(shù)據(jù)寄存器，D500存儲(chǔ)變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)換時(shí)間為36小時(shí)，D501存儲(chǔ)18kw真空泵組變頻運(yùn)行的時(shí)間，D502存儲(chǔ)22kw真空泵組變頻運(yùn)行的時(shí)間。X2、X4分別為18kw真空泵組變頻運(yùn)行信號(hào)和22kw真空泵組變頻運(yùn)行信號(hào)。M30為自動(dòng)控制模式。M205的常閉觸點(diǎn)接18kw真空泵組變頻啟動(dòng)信號(hào)，M206的常開觸點(diǎn)接22kw真空泵組變頻啟動(dòng)信號(hào)。程序運(yùn)行的結(jié)果，將使M205產(chǎn)生一個(gè)以72小時(shí)為周期的時(shí)鐘振蕩信號(hào)，其中首個(gè)周期的前半周期為0，也即是首先選定18kw真空泵組的電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行。
運(yùn)行頻率計(jì)算。程序流程圖及部分梯形圖如圖5所示。D22為PID計(jì)算得到的頻率，D32為變頻器設(shè)定的頻率上限，D30為變頻器設(shè)定的頻率下限。T30和T31用的是接通延時(shí)計(jì)時(shí)指令，只有當(dāng)頻率到達(dá)設(shè)定的值，并持續(xù)設(shè)定的時(shí)間長(zhǎng)度D401和D402，線圈M200、M201才會(huì)導(dǎo)通。線圈M200、M201、M202分別對(duì)應(yīng)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)、停止電動(dòng)機(jī)、控制變頻電動(dòng)機(jī)的操作。
3 結(jié)論
本文利用PLC和變頻器實(shí)現(xiàn)了真空泵組的自動(dòng)變頻控制，改變了以往紙漿模塑生產(chǎn)線中負(fù)壓壓力波動(dòng)大，廢品率高的現(xiàn)狀；利用易控(INSPEC)組態(tài)軟件優(yōu)越的組網(wǎng)功能，方便快捷的實(shí)現(xiàn)了成型機(jī)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控。實(shí)際結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅提高了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和生產(chǎn)效率，而且節(jié)省了原材料和電能，使系統(tǒng)運(yùn)行的方式更加合理、靈活、可靠。
