陳 榮,張永林

（江蘇科技大學 江蘇 鎮(zhèn)江212003）

基于西門子PLC的聚氨酯板材流水線控制系統(tǒng)

陳 榮,張永林

（江蘇科技大學 江蘇 鎮(zhèn)江212003）

結合某聚氨酯工業(yè)設備制造企業(yè)的實際需求，開發(fā)了一套基于西門子PLC的聚氨酯板材流水線控制系統(tǒng)，并設計了一種基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的集中控制方案。實踐表明，該系統(tǒng)性能優(yōu)異、自動化程度高，大大提升了生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

聚氨酯；西門子PLC；PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線；集中控制

隨著建筑行業(yè)對節(jié)能環(huán)保等要求的不斷提高，聚氨酯保溫板材因為其低密度、高保溫性能以及優(yōu)越的防火環(huán)保性能而得到廣泛的應用[1-2]。目前，在冷庫、倉庫和高級廠房等大型建筑屋面及內(nèi)外墻的使用上已經(jīng)取得了良好的效果，因而人們對聚氨酯板材的重視程度也越來越高。

當前生產(chǎn)聚氨酯板材主要有2種方式：非連續(xù)式生產(chǎn)和連續(xù)式生產(chǎn)。非連續(xù)式生產(chǎn)的設備成本較低，但是生產(chǎn)效率不高、產(chǎn)品的品質(zhì)也較低，而且生產(chǎn)所需投入的人力物力較大，經(jīng)濟效益不佳。國內(nèi)在開發(fā)聚氨酯連續(xù)式生產(chǎn)設備方面起步較晚，發(fā)展緩慢，設備自動化程度不高，尤其是中高端市場基本上由國外企業(yè)壟斷。針對目前聚氨酯生產(chǎn)設備的發(fā)展狀況，結合某聚氨酯工業(yè)設備制造企業(yè)新產(chǎn)品研發(fā)的實際需求，開發(fā)了一套基于西門子PLC的聚氨酯板材連續(xù)生產(chǎn)線自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了板材的連續(xù)性、自動化、高效率和節(jié)能環(huán)保生產(chǎn)。

1 控制系統(tǒng)原理

圖1是一條完整聚氨酯連續(xù)生產(chǎn)線的工藝流程圖，包括了開放卷機構、預加熱平臺、上料系統(tǒng)、高壓發(fā)泡系統(tǒng)、移動澆注平臺、溫控系統(tǒng)、雙履帶層壓機、板厚控制系統(tǒng)、定長切割系統(tǒng)和自動打包系統(tǒng)10個部分。此生產(chǎn)線的工作原理是：將溫度合適的兩種聚氨酯發(fā)泡原料按一定比例經(jīng)高精度計量泵送入混合槍頭后均勻澆注在保溫板材的下面層，輸送到具有適合發(fā)泡溫度的雙履帶層壓機進行發(fā)泡成型，由定長切斷系統(tǒng)將發(fā)泡好的板材進行定長切割，最后將生產(chǎn)出來的板材進行自動打包運送至倉庫。

圖1 生產(chǎn)線工藝流程圖Fig.1 Production line flow chart

1.1 開放卷機構

開放卷機構位于整條生產(chǎn)線的最前端，主要實現(xiàn)的是放卷生產(chǎn)板材所需的面層紙卷。本方案使用兩臺雙放卷機構，每臺雙放卷可以放置一個面層的兩個紙卷，即工作紙卷和備用紙卷。工作過程中，放卷機構控制放卷的張力并檢測放卷是否即將結束。如果工作卷放卷結束，立即將備用卷自動轉換到工作卷工位，并切換放卷面層，由備用卷及時替換工作卷，保證生產(chǎn)的連續(xù)性。

1.2 預加熱平臺

預加熱平臺用以初步控制進入層壓機兩個面層的溫度，滿足發(fā)泡溫度要求。這里所采用的加熱元件是多根電加熱管，根據(jù)不同的溫度要求以及現(xiàn)場的環(huán)境溫度，控制電加熱管通斷的根數(shù)以達到控制溫度目的。

1.3 上料系統(tǒng)

上料系統(tǒng)包括對預混罐和工作罐在內(nèi)的兩套料罐的控制。工作時，原料裝入預混罐進行攪拌及溫度控制，待原料滿足生產(chǎn)要求后，輸送至工作罐。料罐的溫度控制通過控制循環(huán)冷卻水來實現(xiàn)，維持料溫在25℃左右。另一個需要控制的是料罐原料上料操作，預混罐主要是人工啟動，而工作罐是通過液位高低信號進行自動上料。

1.4 高壓發(fā)泡系統(tǒng)

高壓發(fā)泡系統(tǒng)是整個設備的核心部件，發(fā)泡系統(tǒng)的好壞直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣。聚氨酯發(fā)泡涉及兩種原料：聚醚多元醇和異氰酸酯，發(fā)泡機的控制主要是對兩種原料流量進行控制，控制誤差不得超過3%。為完成高精度的控制，需要實時監(jiān)測流量狀況并調(diào)節(jié)計量泵的轉速以達到流量控制目的。

1.5 移動澆注平臺

移動澆注平臺的功能是控制布料槍頭在給定的范圍內(nèi)來回布料，工作中需要根據(jù)現(xiàn)場情況實時調(diào)整布料行程。此控制需要對布料槍頭行程進行精確控制，精度要求在1mm內(nèi)，且布料槍頭在換向過程中電機需要承受較大的換向扭矩。

1.6 溫控系統(tǒng)、雙履帶層壓機、板厚控制系統(tǒng)

從設備構成來看，此3部分系統(tǒng)構成層壓機的完整控制系統(tǒng)。溫控系統(tǒng)是對層壓機的內(nèi)部溫度進行控制，產(chǎn)生一個適合聚氨酯反應的溫度場。聚氨酯反應主要包括了3個階段：前期熟化、中期固化成型和后期熟化。3個過程對反應的溫度要求各不相同，所以將層壓機分為3段獨立控制，滿足發(fā)泡溫度需求。

雙履帶層壓機的上下履帶速度決定了走板的速度，根據(jù)生產(chǎn)要求，需對履帶速度進行無級調(diào)節(jié)，速度范圍在2-15m/min。雙履帶的間距決定了板材的厚度，一般可控范圍在10-300 mm之間，控制精度在±0.5 mm之內(nèi)。

1.7 定長切斷系統(tǒng)

切割系統(tǒng)完成板材的定長切割任務。傳感器檢測板材的長度，達到設定的長度后，由切割機構將板材進行切斷處理。

1.8 自動打包系統(tǒng)

自動打包系統(tǒng)將一定數(shù)量的板材進行碼垛，由機械手將打包膜自動纏繞在板材外圍，以供儲藏和運輸?shù)炔僮鳌?/p>

2 系統(tǒng)控制方案

控制系統(tǒng)以集中控制為主，輔以現(xiàn)場工作站的本地控制，以減少生產(chǎn)過程中所需的人力物力，提高生產(chǎn)線的自動化程度，提升生產(chǎn)效率。圖2是系統(tǒng)控制方案，現(xiàn)場中央控制室實現(xiàn)生產(chǎn)線的整體控制及監(jiān)視。由專人看管的現(xiàn)場中央控制室工控機中運行的控制系統(tǒng)軟件通過對PLC系統(tǒng)采集到的過程數(shù)據(jù)和各個工作站的反饋信息，以一定的算法和特定的流程對生產(chǎn)線進行控制。設立各個工作站是方便現(xiàn)場操作人員根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)狀況對設備進行實時調(diào)整，是中央控制室的補充控制。各個工作站無需專人負責，由現(xiàn)場生產(chǎn)人員進行就近看管，節(jié)省人力。

圖2 系統(tǒng)控制方案Fig.2 System control program

2.1 開放卷工作站點

根據(jù)開放卷工作特點及要求，采用異步電機進行備用卷和工作卷之間的切換，光電開關進行紙卷剩余量的檢測。紙卷放卷結束后，光電開關向控制器發(fā)送一個信號，由控制器啟動異步電機將備用卷送至工作卷工位，轉換為工作卷。

2.2 發(fā)泡機工作站點

發(fā)泡機工作站點，實現(xiàn)了原料上料控制，溫度、流量控制和移動布料控制。上料系統(tǒng)分為遠程操作和現(xiàn)場操作兩種模式。遠程操作模式為中央控制室操作，現(xiàn)場操作模式由現(xiàn)場工作人員通過現(xiàn)場工作站來操作。料罐設有液位上限和下限檢測傳感器，液位上限信號會停止正在進行的加料操作，并且只要此信號存在，則不可進行加料操作，避免液位過高。為了滿足連續(xù)不斷的生產(chǎn)需求，工作罐還設有自動控制模式，即當中央控制室接收到原料下限信號時，系統(tǒng)會自動啟動加料程序從預混罐抽料送往工作罐；當料罐加滿時，由液位上限信號停止加料操作。

原料溫度控制采用循環(huán)冷卻水，溫度檢測使用PT100熱電阻，根據(jù)實時采集的原料溫度，控制冷卻水的流量進行閉環(huán)溫度調(diào)節(jié)。原料流量控制使用變頻器控制計量泵的轉速實現(xiàn)，配合高精度流量計對流量進行準確檢測，流量控制精度可達到±3%。移動布料采用伺服電機，定位精度可以到達1mm，并且伺服電機可以短時過載，能夠承受移動布料頭換向所產(chǎn)生的較大扭矩。中央控制器配有伺服電機控制專用模塊，對電機操作簡單，使用穩(wěn)定，可靠性高。

2.3 層壓機工作站點

層壓機站點是一個具有獨立控制能力的站點，通過現(xiàn)場總線與中央控制系統(tǒng)通信。層壓機的溫度場控制關系到發(fā)泡質(zhì)量的好壞，對溫度場控制要求嚴格。溫度場分為三段，互相獨立又互相影響，控制較為復雜。鑒于難以建立精確的數(shù)學模型，這里采用基于人工經(jīng)驗基礎的模糊PID算法控制[3]。

層壓機的上下履帶由兩臺異步電機分別控制，速度通過變頻器無級調(diào)節(jié)。變頻器通過現(xiàn)場總線掛載在控制系統(tǒng)上，避開傳統(tǒng)的模擬量控制，減少了現(xiàn)場接線，增加控制精度。雙履帶之間的距離即為板厚，控制精度要求達到±0.5 mm。本方案采用8臺伺服電機同步控制，每臺電機配備一個驅動器，由控制器統(tǒng)一控制驅動器運轉。

2.4 定長切割、打包工作站點

此站點也是一個具有獨立控制能力的站點，但同時也向控制系統(tǒng)發(fā)送消息并接受控制系統(tǒng)的命令。定長切割系統(tǒng)采用增量式旋轉編碼器進行長度檢測，將長度轉換為差分脈沖發(fā)送給控制器，測量誤差在可控范圍之內(nèi)，精度可達±0.5mm。當測得的板長達到上位機設定值時，由控制站點啟動切割程序切斷板材。

打包是生產(chǎn)線上的最后一道工序，動力輥將碼垛好的板材輸送到打包設備，由光電開關檢測板材的達到，啟動打包程序。

3 生產(chǎn)線通信網(wǎng)絡

圖3為生產(chǎn)線通信網(wǎng)絡圖，系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線通訊，不僅節(jié)省了現(xiàn)場的大量布線，而且運行穩(wěn)定、工作可靠、易于維護，現(xiàn)場施工方便。

圖3 生產(chǎn)線通信網(wǎng)絡圖Fig.3 Production line communication network

PROFIBUS是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標準之一[4]，由西門子公司自行開發(fā)。本系統(tǒng)中，使用西門子S7-300系列型號為313C-2DP的PLC作為DP主站，提供PFOFIBUS-DP通信服務，兩個S7-200 PLC和多個MM440變頻器作為DP從站掛載在DP總線上。工作中，DP主站采集各個DP從站的信息，并向各從站發(fā)送控制命令。系統(tǒng)中的兩個S7-200 PLC作為智能從站，不僅接收主站的控制與主站進行交互，其自身也可以進行獨立運算，減小主站的計算量。整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)均通過DP總線傳輸?shù)娇刂浦行?，減小了工業(yè)現(xiàn)場復雜的電磁干擾對信號傳輸?shù)挠绊懀蟠笤黾恿讼到y(tǒng)的可靠性。

本方案上位機系統(tǒng)采用SIEMENS WinCC V6.2軟件平臺實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)可視化的監(jiān)控及歸檔查詢，與中央控制器PLC之間通過PROFIBUS總線方式進行通訊[5-6]，保證了大量數(shù)據(jù)通訊的安全、穩(wěn)定、及時。

4 多條生產(chǎn)線集中控制方案

一個大型的生產(chǎn)企業(yè)一般不會只有一條生產(chǎn)線，對兩條或者更多條生產(chǎn)線的監(jiān)控在企業(yè)管理中也很重要。從集中控制的角度考慮，設計如圖4所示控制系統(tǒng)。系統(tǒng)為一個多主站的PROFIBUS-DP通信系統(tǒng)。由于DP主站之間無法直接相互交換數(shù)據(jù)，所以需要一個DP從站設備作為中間環(huán)節(jié)來實現(xiàn)主站—主站間的通信連接[7]。DP/DP Coupler正是一種可以連接兩個速率不同的DP網(wǎng)絡的網(wǎng)關設備。

另外，工業(yè)控制現(xiàn)場存在較強的電磁干擾，而中央集控室一般離控制現(xiàn)場較遠，故控制網(wǎng)絡的通信介質(zhì)采用多模鎧裝光纖，并在現(xiàn)場生產(chǎn)線的DP主站和 DP/DP Coupler的進網(wǎng)端添加西門子光纖鏈路模塊OLM，使整個PROFIBUS光纖網(wǎng)絡構成總線拓撲結構，以保證系統(tǒng)的可靠性。

遠程中央集控室在整個系統(tǒng)中作為DP主站，可以讀取各條生產(chǎn)線的生產(chǎn)信息、原料使用情況和報警信息等，將有意義的數(shù)據(jù)進行集中處理。此系統(tǒng)的一個明顯的好處就是生產(chǎn)的集中調(diào)配。遠程中央集控室的工作人員可以根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)查看當前的生產(chǎn)進度，及時調(diào)整生產(chǎn)任務，并且可以在線實時調(diào)節(jié)各條生產(chǎn)線的生產(chǎn)配方等。

圖4 多生產(chǎn)線通信方案Fig.4 Multi-line communication scheme

5 結束語

本控制方案已在某聚氨酯工業(yè)設備制造企業(yè)得到成功應用，其制造的某型號建筑外墻保溫板材自動化生產(chǎn)線通過了江蘇省首臺（套）重大裝備及關鍵部件認定。多家客戶實際使用表明本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，放卷機構可自動切換紙卷，使用方便；發(fā)泡系統(tǒng)原料溫度控制誤差不超過1℃，流量控制誤差在1%到3%之間，效果良好；移動槍頭澆注均勻，產(chǎn)品發(fā)泡質(zhì)量良好；層壓機溫度場控制滿足要求，履帶速度在可控范圍之內(nèi)自由調(diào)節(jié)，板厚控制方便快捷，生產(chǎn)出來的板材質(zhì)量優(yōu)越；切斷和打包系統(tǒng)運行滿足生產(chǎn)需求。

本系統(tǒng)的成功運用，提升了聚氨酯板生產(chǎn)材流水線自動化程度，提高了板材的質(zhì)量，節(jié)省了人力、物力，給生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造了更大的價值。

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Polyurethane sheet pipeline control system based on Siemens PLC

CHEN Rong,ZHANG Yong-lin
（Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003，China）

Combined with the actual needs of a polyurethane industrial equipment manufacturing enterprise,this paper develops a polyurethane sheet line control system based on Siemens PLC,and designs a centralized control scheme based on PROFIBUS-DP field bus.Practice shows that the system has an excellent performance and a high degree of automation, improving the efficiency of production line and reducing the cost of production.

Polyurethane;Siemens PLC;PROFIBUS-DP field bus;Centralized control

TN05

A

1674－6236（2015）07-0036-03

2014-07-17 稿件編號：201407138

陳 榮(1989—)，男，江蘇南京人，碩士研究生。研究方向：先進控制理論及應用。