PLC在電磁感應加熱造紙烘缸中的應用

2 烘缸設計及PLC硬件
2．1 電磁烘缸的物理組構
在系統生產(chǎn)的過(guò)程中，烘缸設備是需要一直轉動(dòng)的，如何將電感線(xiàn)圈與轉動(dòng)的烘缸設備組合在一起，既滿(mǎn)足線(xiàn)圈與烘缸設備之間傳遞能量的需要，又不影響烘缸的轉動(dòng)，生產(chǎn)過(guò)程中的引致等操作，在物理實(shí)現上還必須簡(jiǎn)單實(shí)用，這種線(xiàn)圈與烘缸的組合方式稱(chēng)為電磁烘缸的物理組構。
造紙烘缸主要由烘缸體、烘缸罩、以及變頻電機和齒輪箱組成。與傳統的油熱烘缸和蒸汽烘缸不同，電磁烘缸體內部不需要通入加熱介質(zhì)，不需要封閉，只需要三根輻條支撐在內缸體表面即可。烘缸罩位于烘缸缸體的頂部，可以上下活動(dòng)。當需要引紙時(shí)，通過(guò)控制箱上的按鈕可以將烘缸罩抬起，此時(shí)電磁烘缸停止加熱；當引紙操作完成，正常操作時(shí)候，放下烘缸罩，感應電路對烘缸加熱。烘缸罩的抬升與降落采用手動(dòng)方式，配置小型空氣壓縮機。利用上下行程開(kāi)關(guān)，保證烘缸罩降落時(shí)與缸體表面有合適的間距。
2．2 造紙生產(chǎn)工藝流程
在造紙生產(chǎn)工藝流程中，紙漿過(guò)濾去水之后，形成薄薄的一層附著(zhù)在傳動(dòng)帶上。這些潮濕的紙漿先被傳送到幾個(gè)烘箱中，經(jīng)初步的烘烤去掉一些水分。烘箱中自上而下吹入100℃以上的熱空氣，熱風(fēng)的溫度可以調節。潮濕的紙漿薄層在熱空氣中一部分水分揮發(fā)，水蒸氣隨熱風(fēng)吹走，達到預烘干的目的。潮濕的紙張從烘箱中出來(lái)以后，再到表面溫度1400℃左右的烘缸上烘烤，去掉剩余的大部分水分。烘缸表面的溫度需要根據不同的紙張厚度和紙張材質(zhì)，以及走紙的速度來(lái)上下調整。
本課題開(kāi)發(fā)的造紙系統，在整個(gè)工藝流程中潮濕紙漿薄層成型后，附著(zhù)在傳送帶上經(jīng)過(guò)了三個(gè)烘箱。三個(gè)烘箱設備結構基本相同，采用的是電熱烘箱。每個(gè)烘箱上部裝有電熱板，通入電流后，電熱板發(fā)熱，從頂部吹入的冷風(fēng)被加熱成熱空氣，吹到傳送帶上對紙漿薄層進(jìn)行預干燥。使用標準的4～20mA電流信號來(lái)控制流經(jīng)電熱板的加熱電流，從而實(shí)現對加熱功率的控制，調節烘箱內的溫度。
散熱排濕及空氣循環(huán)系統部為冷空氣進(jìn)風(fēng)總管，由鼓風(fēng)機向其中吹氣?？偣芊譃槿齻€(gè)分管，經(jīng)過(guò)幾層電熱板進(jìn)入三個(gè)烘箱內。在分管的入口處，各有一個(gè)插片式擋板，改變擋板的插入深度，可以改變進(jìn)風(fēng)量。
冷空氣被電熱板加熱后，熱風(fēng)對著(zhù)潮濕紙張吹干去濕，與揮發(fā)的水蒸氣混合，熱風(fēng)濕度增大，溫度降低；三個(gè)烘箱內的濕風(fēng)在烘箱底部經(jīng)排濕口排出。排濕入口處也各裝有一個(gè)插片式擋板，可以調節排出去的濕風(fēng)流量，調節烘箱內的濕度。另外，在排濕口總管的出口處，安裝有抽風(fēng)機，吸出三個(gè)烘箱以及烘缸罩內的潮濕空氣。經(jīng)過(guò)烘箱后的潮濕空氣，雖然溫度有一定降低，但是仍然有相當部分的熱量，全部排出不再利用從節能的角度看有些浪費。因此設計了潮濕熱風(fēng)的回流，在排濕總管上分出一部分重新進(jìn)入進(jìn)風(fēng)總管，從而有效地提高了能源的利用率?；亓鬟M(jìn)風(fēng)量的多少，也通過(guò)一個(gè)插片式擋板來(lái)調節。
電磁烘缸是最后一道造紙加熱工序，經(jīng)過(guò)預干燥之后的紙張，與高溫的烘缸表面接觸，除去剩余的水分，產(chǎn)生大量的水蒸氣。由于水蒸氣密度小于空氣，會(huì )上升被烘缸罩收集。烘缸罩頂部也留有一排濕口，并與排濕總管相連。在排濕口抽風(fēng)機的吸力下，順利排出室外。
2．3 PLC硬件
2．3．1 S7-200系列小型PLC系統
SIMATIC S7-200系列PLC是SIEMENS推出的面向微型及小型應用的PLC系統。目前它已應用于各行各業(yè)、各種場(chǎng)合的檢測、監測及控制的自動(dòng)化。S7- 200系列秉承了SIEMENS PLC產(chǎn)品功能全面、質(zhì)量可靠、應用靈活的特點(diǎn)，其強大的功能使其無(wú)論在獨立運行中，或者相互連成網(wǎng)絡(luò )時(shí)皆能實(shí)現復雜的控制功能。它外型小巧、安裝方便、具備多種擴展模塊，且可以對CPU擴展存儲器容量，能滿(mǎn)足絕大多數小型系統的控制要求，與同類(lèi)PLC產(chǎn)品相比具有極高的性?xún)r(jià)比。S7-200系列出色表現在以下幾個(gè)方面： a．極高的可靠性；b．極豐富的指令集；c．易于掌握；d．便捷的操作；e．豐富的內置集成功能；f．實(shí)時(shí)特性；g．強勁的通訊能力；h．豐富的擴展模塊。
S7-200系列產(chǎn)品可以提供5種不同性能的CPU模塊供客戶(hù)選用，以控制系統成本。它包括一系列的擴展模塊，比如數字量輸入(DI)、數字量輸出 (DO)、模擬量輸入(AI)、模擬量輸出(AO)、熱電阻模塊(RTD)，以及以太網(wǎng)、調制解調器模塊、Prohibits-DP擴展模塊等等一系列功能強大的模塊，可以方便地與各種現場(chǎng)儀表配合使用，采集現場(chǎng)的各種信號并控制各種設備的運行。
S7-200系列產(chǎn)品還提供有小型的人機接口(HMI)設備-TD200文本顯示(Text Display)裝置，可以方便地設置系統的各個(gè)參數，實(shí)時(shí)地顯示關(guān)鍵變量值，并且組態(tài)簡(jiǎn)單、方便好用、價(jià)格便宜，省去了專(zhuān)門(mén)的IPC設備及上位機監控軟件，節省了系統成本。用TD200作為本系統的人機交互界面，完全可以滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程對參數改變的要求。另外，SIEMENS提供的專(zhuān)門(mén)針對S7-200系列PLC編程的Micro／Win step7軟件，支持梯形圖等3種PLC編程方式，好學(xué)易用；并且集成了PID算法模塊、數字濾波算法模塊等常用的功能，供編程人員調用，極大地提高了開(kāi)發(fā)效率，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，節省了系統開(kāi)發(fā)成本。
2．3．2 PLC外圍擴展模塊
在PLC程序中，主要是要實(shí)現對五套回路的控制：三套電烘箱的功率控制回路，以及兩個(gè)電磁感應烘缸線(xiàn)圈的功率控制。三個(gè)烘箱的溫度檢測采用PT100鉑熱電阻，用三線(xiàn)制接法直接接入溫度檢測(RTD)擴展模塊；電磁烘缸的溫度檢測不能使用鉑熱電阻，而是采用紅外測溫儀，紅外測溫探頭直接將檢測到的溫度轉化為0～5V標準電壓信號，通入模擬量輸入模塊(AI)，占用一個(gè)AI通道。兩個(gè)電磁感應烘缸線(xiàn)圈回路使用同一個(gè)烘缸溫度信號即可。五個(gè)內環(huán)電流檢測，使用互感線(xiàn)圈將0～50A的電流信號，轉化為0～5V的電壓信號，輸入AI模塊，占用5個(gè)AI通道。
另外需要控制的是烘缸的轉速。烘缸由一個(gè)變頻電機驅動(dòng)，經(jīng)過(guò)齒輪箱減速，使烘缸按不同速度轉動(dòng)。通過(guò)輸出一個(gè)4～20mA的控制電流給控制柜中的變頻器，從而調整整個(gè)系統的走紙速度，變頻器的輸出占用一個(gè)AO點(diǎn)。統計以上模擬量需求，共需要：
(1)RTD輸入點(diǎn)數：3
(2)模擬量輸入點(diǎn)數：6
(3)模擬量輸出點(diǎn)數：6
另外需要控制比如吹風(fēng)、去濕電機的起停，烘缸罩的升降等數字量信號，在CPU226XM上帶有24位的數字量輸入、16位的數字量輸出通道，已經(jīng)可以滿(mǎn)足系統中數字量的輸入輸出，不需要另外選擇數字量擴展模塊。
綜上所述，最后選擇的S7-200系列PLC硬件模塊如下：
(1)CPU控制器：CPU226XM;
(2)溫度檢測模塊：EM231，2塊；
(3)模擬量輸入模塊：EM231，2塊；
(4)模擬量輸出模塊：：EM232，2塊；
(5)電源(24V直流穩壓源，5A)，1塊。