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楊宏亮

1  系統概述
雙向拉伸塑料薄膜具有現代包裝皇后的美稱，是國民經濟和人民生活不可缺少的一種材料。其生產技術較為復雜，生產工藝要求嚴格。除原材料處理系統和薄膜后處理工序外，一條完整的雙向拉伸塑料薄膜生產線可分為：擠出成型（EXT/CR）、縱向拉伸(MDO)、橫向拉伸(TDO)、牽引處理(PRS)和卷取(WD)五大部分。各部分生產工藝的穩定運行非常重要，直接影響到薄膜的成型和質量。雙向拉伸塑料薄膜產品的厚度最大60微米，最薄僅有6微米，生產線速度從每分鐘幾十米到三百多米不等。在薄膜拉伸生產過程中要求對溫度、壓力、張力、速度等進行穩定、精確地控制，這就涉及到如溫度控制調節器，工藝冷卻水的水溫、水壓，熱交換器用的熱媒介質的壓力和溫度，電機速度調節器等環節和參數。要想實現這些參數的穩定，并且達到較好地配合，可采用多種方法實現。隨著微電子技術的發展，PLC產品在其功能和性能指標上都得到了極大地豐富和完善。因此，應用PLC的一些特殊功能模塊(如PID調節模塊)和一些普通的I/O模塊對雙向拉伸薄膜生產線的各個參數進行自動控制，并且通過PLC和變頻器之間的通訊實現對整個生產線的網絡控制也成為一種先進的控制方法。實踐證明，采用此方法達到了良好的效果。
2  系統構成
 

圖1  薄膜拉伸線生產控制系統構成圖

如圖1所示，本系統上位機部分選用兩臺上位機（其中一臺備用）配以FIX軟件包及Windows NT操作界面。PLC部分選用施耐德公司的Premium PLC，采用以太網總線、FIPIO總線、AS-I網總線將上位機和PLC及各執行機構連接起來。該系統具有結構簡單、成本低、響應快速、抗干擾能力強、運行可靠、功能強大等特點。執行機構主要有FVC閉環磁通矢量控制變頻器、普通變頻器、固態接觸器、電磁閥、薄膜調節閥、電動控制閥、FVC變頻調速電動機及三相異步電動機等。
3  PLC實現的功能
本系統依據雙向拉伸薄膜生產線生產工藝的要求及設備控制系統的特點分為四個部分，各部分控制相對獨立。在此闡述兩個部分：① PID調節部分（包括溫度控制、壓力調節等參數控制）；② PLC和變頻器的通訊部分。

3.1  PlD調節部分
PID控制回路的操作包括三個不同的階段：采集一個或多個測量和設定點；執行PID控制算法；送出適合于執行機構特性的命令，執行機構是由離散或模擬輸出控制。PID控制主要通過PID控制單元，該單元具有以下特性：① l00ms高速采樣周期。② 數字濾波器衰減輸入噪音，控制輸入意外干擾，使PID控制成為有效的快速響應系統。③ 多種輸出規格可供選擇。④ 8組數據設置，8個數值（如設定點SP和報警設置值）可以預置在8個數據組中。⑤ 可以用數據設定器輸入和顯示當前值。⑥ 利用先行PID控制器及自動調諧的特性獲得穩定的PID控制。⑦ 可用PLC程序輸入和檢索數據，通過人機接口實現對PID的控制。同時也可通過PLC的程序實現雙PID控制，從而實現了各處溫度的穩定、精確控制。
PID控制可以分為本地控制和遠程控制兩種模式。遠程控制指通過PLC實現的控制，分為自動和手動兩種方式，自動控制即由PLC進行全自動控制，不需要進行人工干預。手動控制即在上位機上給定一個閥位輸出值，通過PLC對閥位進行控制，手動方式時內部設定點不與測量值校準。在正常情況下都是在遠程控制模式下的自動狀態運行，并且每個PID控制回路的設定值(SV)、過程值(PV)、輸出值都可以在上位機上用數字顯示，同時在上位機上可以修改各區段的溫度、壓力等每個控制回路的PID參數，如SV、P值、I值、D值，操作界面非常友好、直觀。
3.2  PLC與變頻器的通訊
本項目中采用了FIPIO Net開放式的現場總線來實現PLC與變頻器之間的通訊。FIPIO Net有很多特點：① 為開放式現場總線網絡，使用雙絞線介質，符合FIPIO Net總線標準的國內外各生產廠商的機器均可連接，其結構簡單、即插即用、調試方便。② 它支持廣泛的數據處理操作，從通常的ON/OFF數據處理到條形碼讀入器的數據位操作。主從操作方式、多點拓撲結構。③ 保證波特率為1Mbps，節點數（從設備）32個（帶中繼器時128個），節點間無中繼器時1 000m（帶中繼器時15 000m）的數據傳輸距離，因而在較長的生產線上應用簡單方便。
過去通常采用模擬量信號（4～20mA或0～10V）來控制變頻器的輸出頻率，從而實現節能或調速的要求。但上述兩種信號在傳輸過程中容易受到干擾，造成系統的不穩定；同時模擬量信號精度較低，不能在精度要求較高的系統中應用。采用通訊的方式來控制變頻器的輸出頻率，是一種純數字化的控制，無需經過模擬量的變換，傳輸是純數字化的串行傳輸，精度高且抗干擾性好，變頻器的輸出頻率非常穩定。配合高質量的FVC變頻電機，實現了高精度的速度控制，使各拉伸區段的張力保持穩定。同時，還可以通過FIPIO網絡將變頻器的運行狀態及故障信息等在上位機上顯示出來。
4  調試運行中應注意的問題
PLC控制系統、各種網絡通訊及變頻器在安裝調試中需注意以下幾點：
①  做好系統的接地工作，接地電阻必須小于4歐姆。
②  在布線上做好系統的信號控制線、網絡線的屏蔽和接地工作，并與動力線分開放置。
③  為PLC及變頻器控制系統提供一個合適的工作環境溫度，功率超過75kW的變頻器需加強冷卻通風。
④  正確地將電機和編碼器的參數寫入對應的矢量控制變頻器。FIPIO通訊卡、AS-I模塊（傳感器―執行器接口）的地址不能重復。
⑤  調試的步驟：先單機，后聯動；先低速，后高速；最后聯動運行。
⑥  及時將調試運行的參數存儲，盡快實現最優化控制。
5  結語
該系統在雙向拉伸塑料薄膜生產線上運行穩定，控制精度高，系統響應速度快，薄膜產品的厚薄偏差情況較早期的控制系統得到改善，大膜卷取質量得到了提高，受到使用者的好評。由于該系統在改造前，使用了大量的分立元器件，抗干擾能力差，工藝參數波動較大且設備維護工作量大。改造后能完全實現高度集中、快速響應、安全的網絡化控制，實現了集中控制和管理；生產過程效率高、降低了能量和物料的消耗；自動化程度高，降低了工人的勞動強度；人機對話方便，易于調整工藝參數，有利于提高產品質量和更換產品規格，便于過程數據的采集和記錄，可為+生產操作人員提供詳盡的資料，從而進一步優化工藝參數、提高產品質量。