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紙漿模塑工藝在我國最早應用于紙餐盒、紙托盤(pán)的生產(chǎn)，現已越來(lái)越廣泛的應用于儀器儀表、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，具有可重復回收利用、生產(chǎn)過(guò)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(guò)調漿碎漿、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(xiàn)的生產(chǎn)管理水平和質(zhì)量管理水平，通過(guò)對原有生產(chǎn)設備進(jìn)行改造和效能優(yōu)化，真正實(shí)現了全套生產(chǎn)線(xiàn)各個(gè)系統的集中自動(dòng)控制。本文將針對生產(chǎn)線(xiàn)中重要的成型工序的控制進(jìn)行重點(diǎn)敘述。 1 紙漿模塑成型機生產(chǎn)過(guò)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、空氣干燥機、成型機等組成。成型機的作用是利用負壓將配制好的紙漿吸附在紙漿模具上，經(jīng)過(guò)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(guò)程中，成型機對負壓穩定性要求較高，一般需要負壓維持在-0.05MPa—-0.06MPa之間。負壓越低，成型機的模具吸附的紙漿越少，造成產(chǎn)品的厚度過(guò)薄，廢品率增加；負壓越高，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(guò)厚，浪費了紙漿和電能。由于成型機的數量已構成一定的規模，所以采用集中供應負壓的方式。所需負壓由兩組真空泵組產(chǎn)生，一組真空泵組包括一臺真空泵供水泵、一臺水環(huán)式真空泵。原有的控制系統全部采用接觸器、繼電器等手工操作方式。兩組真空泵組獨立控制，工頻運行，不僅控制方式缺乏靈活性，而且負壓波動(dòng)也比較大，廢品率較高。每臺成型機之間的生產(chǎn)相對獨立，因生產(chǎn)品種的不同，需要設定不同的工藝參數，由人工記錄生產(chǎn)量并進(jìn)行統計。 為了保證負壓供應的穩定，我們利用PLC和變頻器對原有設備進(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(xiàn)技術(shù)與上位機易控（INSPEC）組態(tài)軟件通信，不僅實(shí)現了產(chǎn)品生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò )化實(shí)時(shí)監控，而且能夠自動(dòng)進(jìn)行產(chǎn)量統計、提供報表及打印功能。 2 成型機監控系統的設計 成型機監控系統主要包括上位機組態(tài)界面、通信協(xié)議、PLC控制系統三部分。系統結構圖如圖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(kāi)發(fā)的易控（INSPEC）。易控（INSPEC）軟件能夠支持同時(shí)與不同的PLC設備的通信。 2.1 成型機監控系統組態(tài)設計及通信協(xié)議 利用易控（INSPEC）組態(tài)軟件設計上位機的實(shí)時(shí)監控畫(huà)面，如圖2所示。通過(guò)動(dòng)畫(huà)模擬實(shí)時(shí)的生產(chǎn)狀況，使系統便于觀(guān)察和操作；配制好數據庫后，系統會(huì )自動(dòng)保存重要的生產(chǎn)數據、生成實(shí)時(shí)曲線(xiàn)、統計產(chǎn)量、打印報表；當生產(chǎn)過(guò)程出現異常時(shí)，會(huì )彈出報警畫(huà)面，自動(dòng)關(guān)閉系統并提示相關(guān)處理操作。 上位機與不同類(lèi)型的PLC之間的通信采用不同的通信通道，本系統設置了1通道與臺達PLC通信，2通道與艾默生PLC通信；同種類(lèi)型的PLC之間采用尋址的方式來(lái)區分，8臺成型機分別對應1～8的地址；總線(xiàn)選用ModbusRTU模式，PLC通信端口的設置要與上位機通信端口的設置保持一致。 2.2 真空泵變頻控制硬件設計 系統保留了原有的手動(dòng)控制，方便在系統的測試、維修期間，或者在自動(dòng)控制出現問(wèn)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)轉換開(kāi)關(guān)來(lái)選擇。為了節省成本，在自動(dòng)控制模式下，采用一臺變頻器控制兩臺電動(dòng)機，變頻器根據需要在兩臺電動(dòng)機之間進(jìn)行切換。由PLC控制電動(dòng)機的啟停操作。在負壓罐的輸出管道上，安裝有負壓傳感器，用于獲得實(shí)際的負壓壓力。將測得的負壓壓力與給定的目標值進(jìn)行比較，通過(guò)PID計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，能夠根據實(shí)際生產(chǎn)的需要，自動(dòng)調節電動(dòng)機的輸出功率，從而達到穩定負壓壓力，節約能源和原材料的目的。 控制系統的硬件配置包括：臺安N2系列220V/440V22kw變頻器1臺、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、負壓傳感器、以及空氣開(kāi)關(guān)、斷路器、防雷器等系統保護性器件，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電動(dòng)機之間的切換。 系統的原理框圖如圖3所示： 負壓傳感器負責在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)采集負壓壓力的信號，然后通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)將4～20mA電流信號送到PLC控制系統的8AD模塊中，與PLC中設定的目標值進(jìn)行比較，差值送入PID計算得到一個(gè)控制量，經(jīng)4DA模塊轉換成0～10V的電壓信號，通過(guò)改變變頻器的輸出頻率來(lái)改變電動(dòng)機的轉速，實(shí)現負壓壓力的自動(dòng)調節。 在自動(dòng)模式下，通過(guò)變頻器實(shí)現電動(dòng)機的軟啟動(dòng)，可以有效的減少啟動(dòng)電流對電動(dòng)機的沖擊，延長(cháng)電動(dòng)機的使用壽命。兩臺電動(dòng)機將依據變頻運行的時(shí)間（我們定為36小時(shí)），輪流作為變頻運行的電動(dòng)機。在電動(dòng)機變頻運行期間，如果變頻時(shí)間達到規定的時(shí)間，為了不影響生產(chǎn)，電動(dòng)機將繼續變頻運行，直到下一次啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)轉換變頻運行的電動(dòng)機�？紤]到水環(huán)式真空泵存在下限運行頻率，把變頻器的頻率下限設為36Hz，頻率上限設為50Hz。PLC首先啟動(dòng)變頻運行的電動(dòng)機，如果電動(dòng)機連續運行在50Hz超過(guò)一段時(shí)間（我們定為3分鐘），負壓壓力仍然達不到目標值，系統將自動(dòng)工頻啟動(dòng)另一臺電動(dòng)機，并延時(shí)一段時(shí)間以后再進(jìn)行判斷，避免了電動(dòng)機頻繁啟停動(dòng)作；如果變頻頻率低至36Hz后超過(guò)一段時(shí)間（我們定為1分鐘），系統將會(huì )自動(dòng)停止另一臺電動(dòng)機，防止外部干擾而讓電動(dòng)機產(chǎn)生誤動(dòng)作。電動(dòng)機的運行頻率可以將變頻器的頻率輸出信號通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)送至PLC的8AD模塊中。 2.3 真空泵變頻控制軟件設計 本系統中設計的程序塊主要分為以下幾個(gè)部分：初始化配置，主要有PLC擴展模塊8AD、4DA的初始化設置以及特性參數的設置，還有PID各個(gè)控制參數的設置；依據變頻運行的時(shí)間，確定變頻運行的電動(dòng)機和工頻運行的電動(dòng)機；根據負壓傳感器的反饋信號與設定的目標值比較，進(jìn)行PID運算，得到變頻運行頻率的控制量；運行頻率判斷，根據判斷結果，來(lái)決定是否啟停工頻運行電動(dòng)機及變頻運行電動(dòng)機的運行頻率；電動(dòng)機的運行信號、故障信號檢測及過(guò)電流保護，變頻器的故障信號及復位。艾默生EC20系列PLC編程軟件自帶PID指令向導，改變了以往PLC實(shí)現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(xiě)程序的負擔。下面對程序中幾個(gè)比較重要的部分進(jìn)行詳細的敘述。 PID控制參數整定。變頻控制系統選擇了4DA模塊的0～2000對應0～10V的模式，所以需要設定PID控制的輸出上下限有效，并且設定輸出下限值為0，輸出上限值為2000，與4DA模塊的輸入數字量對應，消除了控制的盲區；采樣時(shí)間要選擇合適，采樣時(shí)間過(guò)短PID指令無(wú)法執行，經(jīng)過(guò)現場(chǎng)調試，我們選定的采樣時(shí)間為100ms；為了使測量值變化平滑，將輸入濾波常數定為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PID參數的整定根據負壓壓力的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)來(lái)不斷的調整，最終定出合適的值。 變頻運行時(shí)間計算及切換。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據寄存器，D500存儲變頻運行轉換時(shí)間為36小時(shí)，D501存儲18kw真空泵組變頻運行的時(shí)間，D502存儲22kw真空泵組變頻運行的時(shí)間。X2、X4分別為18kw真空泵組變頻運行信號和22kw真空泵組變頻運行信號。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，M206的常開(kāi)觸點(diǎn)接22kw真空泵組變頻啟動(dòng)信號。程序運行的結果，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，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)機變頻運行。 運行頻率計算。程序流程圖及部分梯形圖如圖5所示。D22為PID計算得到的頻率，D32為變頻器設定的頻率上限，D30為變頻器設定的頻率下限。T30和T31用的是接通延時(shí)計時(shí)指令，只有當頻率到達設定的值，并持續設定的時(shí)間長(cháng)度D401和D402，線(xiàn)圈M200、M201才會(huì )導通。線(xiàn)圈M200、M201、M202分別對應啟動(dòng)電動(dòng)機、停止電動(dòng)機、控制變頻電動(dòng)機的操作。 3 結論 本文利用PLC和變頻器實(shí)現了真空泵組的自動(dòng)變頻控制，改變了以往紙漿模塑生產(chǎn)線(xiàn)中負壓壓力波動(dòng)大，廢品率高的現狀；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)現了成型機的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數據監控。實(shí)際結果表明，該系統不僅提高了控制系統的響應速度和生產(chǎn)效率，而且節省了原材料和電能，使系統運行的方式更加合理、靈活、可靠。 |
