摘 要：采用貝加萊B&R 2000系列PCC實(shí)現(xiàn)對(duì)同向雙螺桿塑料擠出機(jī)、雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)的控制。本文對(duì)該控制系統(tǒng)的組成和控制技術(shù)進(jìn)行了分析，并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)進(jìn)行了論述。
關(guān)鍵詞：PCC； 雙螺桿塑料擠出機(jī)； 控制系統(tǒng)
中圖分類(lèi)號(hào)：         文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(yǔ)言、靈活的模塊化組合方式、可靠的性能、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和I/O總線通訊能力等優(yōu)勢(shì)，廣泛地應(yīng)用于多種工業(yè)領(lǐng)域。如橡塑機(jī)械、化工裝備、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械等，并正在向越來(lái)越多的工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展。在橡塑機(jī)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(shì)在于其良好的性價(jià)比及發(fā)展多年的成熟技術(shù)；PLC控制模式可實(shí)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(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，提供了多個(gè)具有不同循環(huán)時(shí)間及不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)等級(jí)，因此它將應(yīng)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(shí)時(shí)控制的要求。并且使用Automation Studio編程開(kāi)發(fā)環(huán)境具有強(qiáng)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(jí)語(yǔ)言Automation BASIC、Ansi C等多種編程工具，使得PCC的組態(tài)及編程簡(jiǎn)單明了。這些都為PCC在橡塑機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用提供了極大地方便。
1.      同向雙螺塑料擠出機(jī)的工作原理
      同向雙螺桿塑料擠出機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、主機(jī)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(jī)系統(tǒng)等部分組成（見(jiàn)圖1）。

圖1  同向雙螺桿塑料擠出機(jī)構(gòu)成

      原料和添加劑從給料斗經(jīng)喂料系統(tǒng)進(jìn)入塑料擠出機(jī)，物料通過(guò)溫控系統(tǒng)以合適的溫度在擠出機(jī)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(shù)脂熔體在一定壓力下通過(guò)造粒模板被擠出，經(jīng)冷卻、切粒輸送至料倉(cāng)。主驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、喂料機(jī)轉(zhuǎn)速和切粒機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)的組成
      本文以出口美國(guó)的SHJ-72型同向雙螺桿塑料擠出機(jī)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(jī)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(jī)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(jí)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(guò)IF622模塊的RS232通訊口與PCC通訊。PCC是整個(gè)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(guò)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(chǎng)的測(cè)溫?zé)犭娕肌毫鞲衅?、扭矩傳感器、接近開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)等相連接，接收和控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。雙螺桿主驅(qū)動(dòng)電機(jī)、喂料機(jī)、切粒機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通過(guò)IF622模塊的RS485通訊口，采用MODBUS通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。通過(guò)此法可減少許多硬接線，減輕安裝工作量，降低成本，同時(shí)可大大提高系統(tǒng)的可靠性。
      雙螺桿主驅(qū)動(dòng)負(fù)載為恒扭矩特性，因此多數(shù)情況下使用直流電機(jī)，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(dòng)實(shí)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(jī)采用了矢量控制變頻調(diào)速方式。
喂料機(jī)、切粒機(jī)及其它輔機(jī)的調(diào)速均可通過(guò)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(yùn)行。
3.      軟件編程的實(shí)現(xiàn)
      下位機(jī)PCC使用貝加萊公司的Automation Studio編程開(kāi)發(fā)環(huán)境，組態(tài)、編程靈活、功能強(qiáng)大，可以方便地對(duì)硬件進(jìn)行組態(tài)，也可以使用一種或多種編程語(yǔ)言進(jìn)行軟件編程。編程語(yǔ)言面向用戶，這使得控制程序的編程工作大大簡(jiǎn)化，開(kāi)發(fā)調(diào)試極為方便。

圖3  下位機(jī)AS組態(tài)畫(huà)面

      首先根據(jù)所選PCC型號(hào)及模塊對(duì)硬件進(jìn)行組態(tài)。然后添加系統(tǒng)任務(wù)、功能庫(kù)和通訊固件。最后對(duì)不同的循環(huán)任務(wù)選擇適當(dāng)?shù)娜蝿?wù)周期時(shí)間，按照功能編寫(xiě)應(yīng)用程序。圖3為已完成的雙螺桿塑料擠出機(jī)組態(tài)畫(huà)面。
      上位機(jī)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(tái)的組態(tài)軟件平臺(tái)“組態(tài)王”Kingview6.51作為該系統(tǒng)的組態(tài)編程工具。組態(tài)畫(huà)面見(jiàn)圖4。

圖4  上位機(jī)雙螺桿擠出機(jī)組態(tài)的運(yùn)行畫(huà)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(shí)與硬件設(shè)備無(wú)關(guān)，因此編程極為容易。
軟件編程主要針對(duì)以下幾點(diǎn)：
（1） 人機(jī)對(duì)話界面：可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行控制操作；并可根據(jù)需要顯示和設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、報(bào)警內(nèi)容、修改工藝配方、實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖、歷史報(bào)表等。見(jiàn)圖4。
（2） 溫度控制：溫度控制由循環(huán)任務(wù)1（Cyclic #1 -【10ms】）和循環(huán)任務(wù)3（Cyclic #3 -【500ms】）的應(yīng)用程序完成（C語(yǔ)言編寫(xiě)）。包括雙回路智能化PID控制器運(yùn)算和加熱/冷卻脈寬輸出運(yùn)算，利用PCC分時(shí)多任務(wù)特點(diǎn)，將PID調(diào)節(jié)與加熱/冷卻輸出分時(shí)控制，并可根據(jù)優(yōu)化指令自動(dòng)優(yōu)化PID參數(shù)，其控制精度可達(dá)±1℃?？勺x取各區(qū)實(shí)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(dòng)電機(jī)為直流電機(jī)，選用英國(guó)歐陸公司的E590系列直流調(diào)速器。喂料機(jī)選用西門(mén)子、ABB、三菱、臺(tái)達(dá)等系列變頻器進(jìn)行調(diào)速控制。只需在數(shù)據(jù)任務(wù)（Data objects）的Datamod中定義好直流調(diào)速器及各種型號(hào)變頻器的MODBUS數(shù)據(jù)通訊格式，即可實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用程序中與設(shè)備無(wú)關(guān)的變量調(diào)用。操作時(shí)可在IPC觸摸屏上任意修改轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)主機(jī)、喂料機(jī)的精確速度給定。同時(shí)直流調(diào)速器、變頻器將電流、轉(zhuǎn)速等參數(shù)通過(guò)MODBUS通訊反饋給主PCC，并在觸摸屏上進(jìn)行顯示和進(jìn)行超限報(bào)警保護(hù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MODBUS總線通訊協(xié)議方式，將各種智能儀表以無(wú)格式方式與PCC建立通訊連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
（5） 聯(lián)鎖和邏輯控制：在循環(huán)任務(wù)4（Cyclic #4 -【500ms】）中通過(guò)使用梯形圖LAD或Automation BASIC語(yǔ)言完成的應(yīng)用程序的編寫(xiě)。能夠根據(jù)系統(tǒng)工藝要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，完成完美的邏輯控制。
4.      功能的實(shí)現(xiàn)及技術(shù)要點(diǎn)
      在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)的功能及技術(shù)要點(diǎn)主要有：
（1） 通過(guò)MODBUS方式實(shí)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(jiǎn)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(jī)溫度控制是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一?？刂频馁|(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(jī)筒，多個(gè)溫控區(qū)分別進(jìn)行精確溫度控制，PID加熱/冷卻雙向控制，控制精度可達(dá)±1℃，確保同向雙螺桿擠出機(jī)的正常運(yùn)行。
（3） 功能豐富的系統(tǒng)狀態(tài)及系統(tǒng)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，各種參數(shù)實(shí)時(shí)修改。主機(jī)轉(zhuǎn)速、喂料機(jī)轉(zhuǎn)速、切粒機(jī)轉(zhuǎn)速及其它調(diào)速設(shè)備實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。
（4） 系統(tǒng)具有完善的保護(hù)功能及整機(jī)工藝控制聯(lián)鎖。出現(xiàn)過(guò)電流、過(guò)載及熔體壓力過(guò)高等異常情況時(shí)自動(dòng)停機(jī)，保護(hù)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(kuò)充和升級(jí)，并實(shí)現(xiàn)群控。
（6） 抗干擾設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)中的主要內(nèi)容之一。如強(qiáng)電弱電隔離、良好的接地系統(tǒng)、控制信號(hào)線采用屏蔽線、合理布線減少線間干擾等。確?？刂葡到y(tǒng)的可靠運(yùn)行。此外PCC各模塊對(duì)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(hào)。
（7） 通過(guò)基于Web的上位機(jī)組態(tài)軟件HTML格式向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布工程，使用標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器（如IE），可以實(shí)時(shí)地查看圖形顯示，歷史曲線，報(bào)警信息，同時(shí)根據(jù)權(quán)限進(jìn)行報(bào)警應(yīng)答，變量修改等操作。輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查詢、遠(yuǎn)程故障診斷與故障處理。
（8） 對(duì)程序稍加修改，既同樣適合于雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)和雙階擠出機(jī)的控制。
（9） 對(duì)控制點(diǎn)數(shù)較少的控制系統(tǒng)，為降低成本，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，也可使用B&R2003系列PCC。
5.      結(jié)束語(yǔ)
      根據(jù)上述對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的分析闡述，我們可知同向雙螺桿擠出機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化程度要求較高，控制環(huán)節(jié)和過(guò)程也較復(fù)雜。采用PCC后，整個(gè)控制系統(tǒng)在先進(jìn)性、可靠性、控制精度和功能諸多方面都達(dá)到了較高的水平，保證了擠出機(jī)的運(yùn)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(jī)、雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)和雙階擠出機(jī)，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)成功應(yīng)用了數(shù)十臺(tái)（套）。
參考文獻(xiàn)
1.      齊蓉、肖維榮.可編程計(jì)算機(jī)控制器原理及應(yīng)用.西北工業(yè)大學(xué)出版社.2002
2.      B&R2000高級(jí)編程技術(shù).貝加萊培訓(xùn)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(cè).2006
5.      亞控科技.組態(tài)王用戶手冊(cè)（6.5.1.1）.2005
作者簡(jiǎn)介
吳 農(nóng) （1961- ），男，江蘇宜興人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楣I(yè)電氣及儀表自動(dòng)化控制。