可編程計算機控制器及其在塑料擠出機中的應用

引言

塑料擠出機是異型材擠出生產(chǎn)線(xiàn)(如塑鋼門(mén)窗的生產(chǎn)) 和鋁塑復合管生產(chǎn)線(xiàn)上的關(guān)鍵設備。擠出機自加料端至機頭分為加料區、熔融區和均化區3 個(gè)區。在加料區，固體塑料通過(guò)與料筒的磨擦作用而被向前輸送并逐漸壓實(shí);在熔融區，固體塑料被加熱熔融，在液固界面上生成一層熔體膜，當熔體膜厚度超過(guò)螺翅與料筒的間隙時(shí)，熔體被螺翅刮落，在螺翅前側形成熔池，后側形成固體熔床;在均化區，物料在螺桿前進(jìn)的過(guò)程中受到正流、側流、倒流、漏流4 種運動(dòng)的攪拌、剪切和壓緊作用，得到充分混合、塑化，并在一定壓力下連續地通過(guò)口模而形成連續體。在擠出機中溫度和速度控制是非常重要的。

貝加萊公司的工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品PCC是綜合了PLC和工業(yè)計算機優(yōu)點(diǎn)的新一代可編程計算機控制器，具備各種標準的控制功能，硬件采用了能靈活配置的模塊化結構，可帶電插撥，可靠性高。PCC 支持多任務(wù)分時(shí)操作系統，提供了8 個(gè)分別具有不同循環(huán)時(shí)間不同優(yōu)先權的任務(wù)等級(task class) 。其中優(yōu)先權高的任務(wù)等級，即高速任務(wù)有著(zhù)較短的執行周期(周期可由用戶(hù)設定，范圍從1ms 到20ms) ，而標準任務(wù)的循環(huán)時(shí)間可從10 ms到5000 ms設定。而且每個(gè)任務(wù)等級可包含多個(gè)具體任務(wù)，這些任務(wù)中間可以再細分優(yōu)先權的高低。

PCC的多處理器和智能I/ O 技術(shù)使其智能性強，智能模塊內部有自己的CPU ，其運動(dòng)模塊配以高精度高質(zhì)量的運動(dòng)控制算法，溫度模塊配以具有自學(xué)習能力的溫度調節算法(PID 和模糊調節技術(shù)) 。智能溫度PIDxh 軟件可以自動(dòng)計算出不同溫控所需要的PID 參數，過(guò)程控制的PID 調節可以達到50μs 一個(gè)回路。

PCC產(chǎn)品使用開(kāi)放式總線(xiàn)結構，與各種系統通信方便，提供支持CAN BUS 的硬件模塊并自帶CAN 接口。因此，很容易實(shí)現CAN BUS 物理連接，并通過(guò)相應的通信程序實(shí)現PCC系列產(chǎn)品之間的通信。幀驅動(dòng)器(frame driver) 是貝加萊公司為實(shí)現與第三方設備之間進(jìn)行通信而設計的軟件工具箱。由于Frame Driver 是一個(gè)自由通信協(xié)議，編寫(xiě)串行接口(如RS - 232 ，RS- 485/ 422 ，TTY等) 的通信協(xié)議非常方便。通常的數據通信，用戶(hù)必須對端口的細節了解很清楚才能通過(guò)編程實(shí)現對接口各管腳的操作。而幀驅動(dòng)器將這些操作集中起來(lái)，用戶(hù)不必知道接口的細節就可以通過(guò)幀驅動(dòng)器命令直接傳輸讀寫(xiě)數據。

PCC提供了結構化高級語(yǔ)言PL2000 ( 類(lèi)似C 語(yǔ)言) ，也可使用梯形圖(LAD) 、指令表(STL) 編程，且具有強大的數據運算和處理能力。

本文介紹PCC在鋁塑復合管生產(chǎn)線(xiàn)中對4 臺擠出機的控制。

1 　系統的構成和功能

圖1 為PCC控制4 臺擠出機系統框圖。4 臺擠出機都是單螺桿擠出機：內管擠出機螺桿主電機為75kW直流電機;內管涂膠擠出機螺桿主電機為55kW直流電機;外管涂膠擠出機螺桿主電機為55kW直流電機;外管擠出機主電機為45kW直流電機。4 臺擠出機的螺桿直流電機都是由數字式直流調速系統E590 驅動(dòng)，它們通過(guò)主站處理器模塊的IF2 口以RS - 422 與PCC通信。牽引機主電機是三相交流電機，均由Lenze 變頻器驅動(dòng)，它們通過(guò)主站接口模塊的IF2 口以RS - 485方式與PCC 通信。上位機為貝加萊公司的PROVIT -5000 系列工控機，用于在人機界面上對全線(xiàn)設備集中監控。擠出機的控制選用PCC2005 作為主站， 兩臺PCC2003 作為從站，包括電源模塊PS465 、處理器模塊、接口模塊、溫度輸入模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數字量輸入模塊和數字量輸出模塊。工控機、主站和兩個(gè)從站通過(guò)CAN 現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現實(shí)時(shí)通信。

圖1 　擠出機控制系統框圖

2 　系統的軟件設計

用PCC編制用戶(hù)程序相對于傳統PLC 的一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)是它的多任務(wù)處理能力。它非常適合于控制功能復雜、對實(shí)時(shí)性要求高的設備。整個(gè)系統的控制程序采用PL2000 高級語(yǔ)言和LAD(梯形圖) 混合編制，根據其不同功能編出獨立的程序塊，并按實(shí)時(shí)性要求設定優(yōu)先級。同時(shí)，編程環(huán)境中包含豐富的函數庫及功能塊，大大減輕了開(kāi)發(fā)人員的工作量。

2. 1 　溫度控制程序

在鋁塑復合管生產(chǎn)中，為了增加聚乙烯的流動(dòng)性、減少擠出機的負荷，希望提高擠出溫度;但溫度過(guò)高，尤其是在擠出機螺桿轉速較低、塑料在機筒和模具內停留時(shí)間過(guò)長(cháng)會(huì )使聚乙烯分子鏈受到破壞而影響管材質(zhì)量。PL2000 編程語(yǔ)言提供PIDxh 函數，可以控制多路溫度調節。擠出溫度采用集中控制，每臺擠出機的機筒上有4 個(gè)熱電偶，機頭上有一個(gè)熱電偶，測溫信號直接接在PCC的溫度模塊上，用PID溫控軟件實(shí)行獨立的回路控制。在軟件中還采取了自學(xué)習功能，即自動(dòng)記錄不同時(shí)段、不同原料、不同模具下系統所需的參數，并存放于PCC的數據模塊中。軟件可以自動(dòng)計算出不同溫控所需的PID 參數，溫度控制精度可以達到±1 ℃。

2. 2 　通信控制程序

通信程序是很關(guān)鍵的。在工控機、PCC主站和從站之間以及主站和擠出機的直流調速系統之間、主站與牽引機的變頻器之間等都是靠通信進(jìn)行數據交換的。工控機、主站和從站之間通過(guò)CAN 總線(xiàn)實(shí)現通信。CAN 通信程序中主要用到下述函數： 用CANopen() 實(shí)現CAN 控制器的初始化并申請傳輸數據所需的資源;用CANwrite() 函數對將被發(fā)送的數據進(jìn)行寫(xiě)操作;用CANread() 函數進(jìn)行讀取數據的操作; 用CANdftab() 函數可創(chuàng )建一個(gè)包含CAN 總線(xiàn)數據的變量列表，用戶(hù)可以通過(guò)事件變量來(lái)進(jìn)行數據讀寫(xiě);周期性的數據讀寫(xiě)則用CANrwtab() 函數進(jìn)行處理。

使用Frame Driver 編寫(xiě)與直流調速系統和變頻器的通信協(xié)議。在圖1 中，4 臺E590 直流調速系統分別驅動(dòng)內管擠出、內管涂膠擠出、外管擠出、外管涂膠擠出直流電機，它們均通過(guò)主站處理器模塊的IF2 口以RS - 422 與PCC通信，由PCC統一調整控制參數和給定值。5 臺Lenze 變頻器分別驅動(dòng)內管牽引、內管涂膠牽引、焊管牽引、鋁管牽引和成材牽引的三相交流電動(dòng)機，它們通過(guò)主站接口模塊的IF2 口以RS - 485 方式與PCC進(jìn)行通信。通信時(shí)先使用函數FRM_ Xopen(enable ，adr (device) ，adr (mode) ，adr (config) ，status ，ident)初始化;發(fā)送數據時(shí)，先向幀驅動(dòng)器申請一個(gè)緩存區，這時(shí)要用到FRM_ gbuf (enable ， ident ， status ， buffer ， buflng) 函數;然后將要發(fā)送的數據寫(xiě)入申請得到的緩存區中，用strcpy(outbufadr ，“Frame Driver Output Test”) 函數或memcpy() 函數;最后命令幀驅動(dòng)器傳輸數據，用FRM_writ (enable ，ident ，buffer ，buflng ，status) 函數。