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   高玉坤（1975-）

    男，吉林省吉林市人，1998年畢業于吉林化工學院工業自動化專業，現工作于中國石油吉林石化分公司乙烯廠儀表車間，工程師，從事化工裝置控制系統的運行維護管理工作。

    摘要：文中以吉林石化公司高密度聚乙烯裝置60噸/小時擠出造粒機組為例，詳細介紹了西門子S7-400H/F PLC在大型機組控制中的應用實例，充分展現了PLC系統對成套機組控制的優越性。

    關鍵詞：PLC；擠出造粒機組；控制；邏輯

    Abstract: The extruder ,which output is sixty tons in an hour and serves High Density Polyethylene Plant of Jilin Petrochemical Company,is taken an example in the paper.According to the example，we will be familiar with Siemens S7-400H/F PLC in controlling the large–scale rotary equipments, and at the same time the superority of the PLC application to extruder is fully shown.
    Key words: Programmable logic controller; extruder; control; logic

    吉林石化公司30萬噸/年高密度聚乙烯裝置擠出造粒機組于2005年7月成套從德國WP公司引進，機組型號為WP350，最大生產能力為60噸/小時，自投產后一直穩定運行。機組采用了西門子S7-400H/F的PLC作為主控制器，以基于WINDOWS2000系統平臺開發的WINCC程序作為人機界面；采用了工業以太網作為通訊方式，使各種控制方案得以有效實現，從而保證了機組的安全穩定運行。

    1 機組構成簡介

    整個機組由四部分構成：混煉機、熔融泵、切粒機和輔助系統。

    1.1 混煉機

    混煉機的功能是對聚乙烯樹脂及少量輔助添加劑進行熔融混煉。主要由主驅動電機、離合器、減速箱、筒體等四部分組成。主電機額定輸出為 10975kW，3100V變頻電機，為筒體內的雙螺桿的旋轉提供動力。離合器又叫氣動離合器，它的作用是連接主電機和減速箱，使主電機的動力通過減速箱變速，速度降低為原來的七分之一，然后再傳輸到雙螺桿混合器。離合器的另一個作用是保護筒體內的雙螺桿混合器，防止其過載，當雙螺桿混合器過載時，位于離合器上的壓力開關會動作，使離合器脫開，此時主電機的動力不再經減速箱向雙螺桿混合器傳遞，防止了螺桿的損壞，從而實現了保護的目的。樹脂在筒體內熔融完成混煉的全過程。

    1.2 熔融泵

    熔融泵的主要作用是對熔融后的物料進行升壓，包括截流閥、開車閥、換網器組等附件。通過控制截流閥的開度可以調節單位時間內到達熔融泵入口物料的流量，使熔融泵的入口壓力得到調節。開車閥有“直通”和“旁通”兩種作用。直通時物料通過熔融泵到達模板后擠出造粒，旁通時物料直排地面，一般在開工車時使用旁通。泵體的作用主要是升壓，物料通過升壓后，壓力達到原來的四到五倍。升壓后的物料經過換網器過濾（濾掉物料中的雜質）后到達模板，并通過模板擠出后到達水下切粒機。

    1.3 切粒機

    切粒機的作用是把經過模板擠壓后的樹脂切成需要形狀的粒子，由顆粒水系統輸送到干燥系統。切粒機主要由帶動切刀旋轉的電機、控制造粒小車移動的液壓單元和控制切刀和模板之間距離液壓單元等三部分組成。通過調整電機的轉速可以控制粒子的形狀，達到指標的要求。

    1.4 輔助系統

    輔助系統由水系統和油系統兩部分組成。

    1.4.1 水系統

    水系統包括冷卻水系統和顆粒水系統。冷卻水系統的作用是冷卻筒體內物料的溫度，使其保持恒定值，冷卻方式是通過循環冷卻水帶走熔融物料產生的熱量，從而控制了筒體內熔融物料的溫度；顆粒水系統的作用是對高溫粒子迅速降溫使粒子定形，并將產生的粒子輸送到干燥器。在干燥器中粒子在離心力的作用下和水進行分離，分離后的粒子由氣體輸送系統送到料倉。分離后的水進行回收后進入顆粒水箱后循環再利用。

    1.4.2 油系統

    油系統按功能可分為三部分：一是潤滑油系統，包括熔融泵軸承潤滑油系統、主電機軸承潤滑油系統、主電機減速箱潤滑油系統和熔融泵減速箱潤滑油系統等；二是熱油系統，其作用是對設備進行溫度控制，包括熔融泵軸、軸承熱油系統和模板熱油系統；三是液壓油系統，為液壓設備提供動力，如：開車閥、換網器和合車系統等。

    2 系統結構描述

    由于高密度聚乙烯裝置連續性生產，負荷不能進行頻繁的調整，裝置的中間物料存儲能力相對較小，造粒機組的連續穩定運行是非常重要的。西門子S7 414-4H系列控制器采用冗余的結構設計，能最大程度的避免由于控制系統故障而引起的機組停機，從而減少了裝置的生產波動，提高了經濟效益。

    2.1 控制系統的網絡結構

    兩個冗余的414-4H控制器通過CP443-1通訊處理器連接到以太網交換機上，作為以太網上的一個節點。和上位機通過以太網絡實現了數據交換。以太網采用光纖作為傳輸介質，傳輸速率為100Mbit/s。同時PLC通過通訊卡（CP341-1）實現和DCS系統（YOKOGAWA CS3000）之間的數據交換（見圖1），通訊協議采用RS485串行數據通訊協議。

               

                         圖1 控制系統網絡結構圖

    2.2 控制器的構成

    414-4H控制器單元主要由以下幾部分構成：CPU、電源、通訊卡、底板、I/O模塊等。CPU作為整個控制器的核心，其作用相當于人的大腦，起到發送和接收指令的作用。處理器上有兩個通訊接口， MPI接口和PROFIBUS的DP接口。MPI接口支持MPI協議，用來和上位機進行通訊，實現編程、組態功能。PROFIBUS的DP接口支持PROFIBUS DP協議，實現CPU和I/O模件進行通訊，這兩個接口的通訊速率最大均可達到12M bit/s。電源采用PS407 10A電源模塊，對主機架進行供電。按照I/O模塊應用的不同，常規控制采用通用形I/O卡件，對于重要的安全回路采用故障安全型卡件，可以自動識別回路中出現的短路、接地等情況，并會做出相應的動作保護卡件、現場設備及人身的安全。

    3 典型控制功能介紹

    高密擠出造粒機組的控制比較復雜，包括PID調節控制、邏輯控制和順序控制等，這些條件的判斷和執行均通過自動程序來實現，對控制器的要求較高，414-4H控制器能夠有效的實現這些控制功能，下面對控制設備實現的一些控制功能進行簡單的介紹。

    3.1 主電機控制方案

    3.1.1 主電機轉速控制

    主電機的轉速控制主要由MCC的變頻調速器來實現。當在啟動命令下達后,操作員在人機界面上對目標速度進行設定（速度的設定范圍在0-1803/rpjm之間），通過人為干預來確定造粒機組的負荷。設定值經過處理后輸出4-20mA電流信號到變頻調速器控制柜，變頻器根據速度的設定值和電機實際轉速的偏差進行調節，整個過程是一個開環的控制模式。變頻器會根據電流值計算出主電機的扭矩 “TORQUE MAIN DRIVE”，代表電機的運行負荷。扭矩的范圍在0-83737Nm，經過計算后顯示在人機界面上供操作人員進行負荷調整的參考。 

    3.1.2 主電機啟停邏輯控制

    將參與主電機運行的聯鎖按照來源分為四類，如圖2所示。

                  

                         圖2 主電機聯鎖運行邏輯功能圖

    來自于熔融泵系統的條件，這些條件能夠判斷熔融泵的運行狀態是否正常。油泵要保證正常運轉、潤滑油壓力不能過低、要保證一定的溫度值，不能過高或過低，這些條件是保證熔融泵安全運行的前提條件。而主電機連續運轉的前提條件是要保證熔融泵的運轉。任何一個條件不滿足，都會導致主電機立即停運。

    來自于主電機本體的聯鎖條件，這些聯鎖條件用來判斷主電機的運行狀態。主電機離合器正常關閉信號，這個信號由單獨的離合器控制器（S7-200PLC）發出，參與主電機聯鎖運行邏輯。主電機軸承潤滑油系統的正常，潤滑油A泵或者B泵要有一個在運轉，且潤滑油的流量不能過低，保證軸承的良好潤滑。主電機的扭矩正常信號包括兩種情況，一種是主電機運行5秒鐘后扭矩不能大于105%，另外一種情況是主電機所在的儀表回路正常，沒有出現斷路、卡件通道損壞等情況。為了保證主電機的安全運行，在主電機房內設置了兩臺換熱風扇，用來控制電機室內的環境溫度。當風扇的啟動信號發出后程序中計數器開始計數，計數完畢后如果還沒有收到風扇的運行反饋信號則認為風扇出現運行反饋故障，且不能出現電氣故障反饋信號。只有這些條件都滿足才能保證主電機的安全運行。

    來自于過程工藝的聯鎖條件，這些條件用來判斷機組內物料的經過路徑是否暢通，正常開車時，有任何地方出現阻塞，都就會導致該處壓力超限，機組會通過聯鎖立即停車。開車閥的入口壓力高限聯鎖設定值為30MPa；熔融泵入口壓力，熔融泵出口壓力，物料到達模板后的壓力進行檢測的，其高限聯鎖設定值分別為7MPa、26.5MPa、20MPa，當熔融泵運行2分鐘后，如果還存在壓力低于5公斤的情況，但只要持續的時間不大于5秒鐘則熔融泵能正常運行，反之聯鎖被觸發，主電機停止運行。

    開車閥、換網器、顆粒水閥擋板必須保證位置正確，這是保證物料暢通的前提條件。判斷開車閥故障要如下兩種情況：當開車閥的動作命令發出8秒種后，兩個位置回訊都為“OFF”，或都為“ON”，這說明開車閥既沒指向模板方向，也沒有不指向對地方向，說明了開車閥所處的位置是錯誤的。同理如果程序發出命令使換網器動作后，5秒內驅動換網器動作的氣缸沒有動作到位，則邏輯認為換網器動作故障。當機組正常運行時，切粒機在水下切粒，并通過顆粒水進行輸送，顆粒水閥擋板必須保證動作位置正常，才能保證物料不外泄，這些條件都是保證主電機連續運轉的前提條件。為了保證機組在異常狀況下的安全，在機組的5個不同的危險部位均設置了緊急停車按鈕，如果有一個按鈕被按下，主機都會立即停止運行。

    3.2 熔融泵啟停控制方案

    3.2.1 熔融泵聯鎖運行控制方案

    如圖3所示，條件1~條件5分別代表了熔融泵正常運轉時和試車時兩種工作狀態，保證相關設備的正常運轉，設備的良好連接，輸送介質的工藝參數正常。熔融泵的驅動側、非驅動側均需要良好的潤滑，才能保證軸承不被磨損，判斷軸承是否磨損的條件是預先埋入軸承中的熱電阻進行測量，軸承最低溫度是200℃，高于330℃就認為軸承出現磨損情況，熔融泵會立即停止運行。條件14為熔融泵離合器使能信號，只有其滿足才能維持熔融泵正常運轉。由三個部分構成，第一部分是對熔融泵電機扭矩的檢測，如果扭矩高高則使能信號不滿足，熔融泵聯鎖停止運行。第二部分是對熔融泵減速箱潤滑油壓力進行檢測，如果兩個壓力變送器中的任何一個低于70KPa，則使能信號不滿 足，熔融泵聯鎖停止運行。第三部分是對由離合器控制器（單獨的小型PLCS7-200系統，檢測離合器的兩側是否存在轉速差，如果存在的差值超過5rpm，則認為離合器存在故障）發出的無故障信號到達S7-400控制器進行檢測，如果檢測到有故障存在則使能信號不滿足，熔融泵聯鎖停止運行。當熔融泵運行兩分鐘后，如果入口壓力還低于0.5MPa，五秒鐘后，熔融泵會停止運行。熔融泵電機的線圈溫度和軸承溫度聯鎖的設置都是從保護電機的角度出發的。人機界面上的軟旁路開關，起到旁路熔融泵的作用。 

    3.2.2 熔融泵入口壓力控制方案

               

                  圖3 熔融泵聯鎖運行邏輯功能圖

    熔融泵的入口壓力是擠出機控制過程中的一個重要的參數，它和產品的質量密切相關，壓力的大小和熔融泵的轉速構成閉環調節回路。入口壓力的控制分為自動和手動兩種模式。在熔融泵開始運行的前10秒鐘內必須進行手動控制，由操作人員在人機界面上進行設定。并輸出到MCC變頻調速器控制熔融泵電機轉速，從而控制熔融泵入口壓力。當熔融泵入口壓力進入自動控制時，通過PLC計算后的入口的實際壓力值和設定值的偏差信號會輸出到MCC，達到調節熔融泵電機轉速的目的。不同牌號的樹脂產品對熔融泵入口壓力的要求也是不同的。

    3.3 切粒機順控方案

    3.3.1 合車控制

    根據邏輯說明所示，轉動鑰匙使能開關，并按下合車按鈕后，程序開始執行，整個程序共分八個步驟進行：

    第一步：蜂鳴器響。按下合車按鈕后，蜂鳴器響，蜂鳴器響后5秒鐘第一步結束。

    第二步：排水閥關閉，檢測到關回訊到位后第二步程序結束。

    第三步：啟動液壓油泵，檢測到泵的運行反饋信號后第三步程序結束。

    第四步：小車前進。程序開始執行時先對三個基本條件進行檢測，第一個條件是檢測安全使能狀態是否為ON；第二個條件是檢測安全程序發出的使能移動信號是否為ON；第三個條件是檢測切粒小車上四個氣缸閥是否都處于打開狀態，且開回訊到位。檢測到三個條件都滿足2秒鐘后小車開始進入快速移動狀態，在小車移動過程中當檢測到減速位置回訊后，小車開始進入慢速移動狀態，和模板對接并檢測到小車到位回訊后2秒鐘邏輯對小車的移動命令（使能命令、快速移動命令、慢速移動命令）進行復位，移動過程結束。

    第五步：關閉蜂鳴器。在程序開始執行時同樣要對安全使能狀態是否為ON進行檢測，如果條件滿足則2秒鐘后關閉蜂鳴器，本步程序結束。

    第六步：氣缸鎖緊。在程序開始執行時要對安全使能狀態及小車到位回訊進行檢測，如果條件滿足則5秒后氣缸鎖緊電磁閥帶電，氣缸被鎖定，鎖定完畢且氣缸上的回訊狀態正常后電磁閥失電，鎖定過程結束。

    第七步：關閉液壓驅動。如果安全使能狀態正常則2秒后關閉驅動液壓油泵，泵運行反饋信號消失后關閉程序結束。

    第八步：切刀液壓單元啟動。如果安全使能狀態正常則2秒后啟動切刀液壓油泵，接收到泵的運行反饋信號后啟動泵運行程序結束。

    3.3.2 分車控制

    整個分車邏輯也分為八個步驟進行。

    第一步：蜂鳴器響。按下合車按鈕后，蜂鳴器響，蜂鳴器響后5秒鐘第一步結束。

    第二步：排水閥關閉。閥關閉并檢測到關回訊到位后第二步程序結束。

    第三步：啟動液壓油泵。液壓油泵啟動，當檢測到泵的運行反饋信號后第三步程序結束。

    第四步：小車前進。程序開始執行時先對三個基本條件進行檢測，第一個條件是檢測安全使能狀態是否為1（具體要看操作畫面上的黃色條紋狀圖案是否還存在）；第二個條件是檢測安全程序發出的使能移動信號是否為1；第三個條件是檢測造粒小車上四個氣缸閥是否都處于打開狀態，且開回訊都到位。檢測到三個條件都滿足，則2秒鐘后小車開始進入快速移動狀態，在小車移動過程中當檢測到減速位置回訊后小車開始進入慢速移動狀態，和模板對接并檢測到小車到位回訊后2秒鐘邏輯對小車的移動命令（使能命令、快速移動命令、慢速移動命令）進行復位，移動過程結束。

    第五步：關閉蜂鳴器。在程序開始執行時同樣要對安全使能狀態是否為1進行檢測，如果條件滿足則2秒鐘后關閉蜂鳴器，本步程序結束。

    第六步：氣缸鎖緊。在程序開始執行時要對安全使能狀態及小車到位回訊進行檢測，如果條件滿足則5秒后氣缸鎖緊電磁閥帶電，氣缸被鎖定，鎖定完畢并且氣缸上的回訊狀態正常后電磁閥失電，鎖定過程結束。

    第七步：關閉液壓驅動。如果安全使能狀態正常則2秒后關閉驅動液壓油泵，泵運行反饋信號消失后關閉程序結束。

    第八步：切刀液壓單元啟動。如果安全使能狀態正常則2秒后啟動切刀液壓油泵，接收到泵的運行反饋信號后啟動泵運行程序結束。

    在第四步程序中，如果在30秒鐘內不能完成上述過程，則邏輯認為程序執行失敗，小車合車程序被自動終止。

    3.4 輔助系統調節控制方案

    在輔助的油系統和水系統中，典型的控制當屬熔融泵軸承熱油系統了。熔融泵軸承熱油系統控制可分為兩部分，第一部分是熱油流量控制，第二部分為熱油溫度控制，下面分別簡述這兩部分的控制過程。

    3.4.1 熔融泵軸承熱油流量控制

               

                    圖4 熔融泵軸承熱油流量控制原理方框圖

    讓熔融泵軸承熱油主要對熔融泵的軸承溫度進行控制。正常生產時控制軸承的溫度不能過高，否則會對設備造成損壞。熔融泵軸承由驅動側和非驅動側兩部分組成。每一側又分為上下兩片軸承瓦，每個軸承瓦都有各自的測溫點（TET50585A/B，TET50586A/B）。控制方案圖如圖4所示，采用流量控制器和溫度控制器實現串級PID調節，通過對熔融泵軸承四部分溫度的高選比較得出最大值送到TIC50647作為PV（過程）值， TIC50647的SP（設定）值由操作人員以流量（流量的量程在0-4.5m3/h）百分數的形式給出，經過主調節器的內部計算后MV（調節器輸出）值作為兩個副調節器FIC50642A/B的SP（設定）值，FIC50642A/B將設定值和各自的PV值FT50642A/B相比較，做內部計算后分別輸出控制調節閥FV50642A/B，使軸承熱油流量得到控制，最終間接達到控制軸承溫度的目的。

    3.4.2 熔融泵軸承熱油溫度控制

    熔融泵軸承熱油溫度控制是通過對油加熱器和調溫水三通閥門的分程控制來實現。當油溫較低時（尤其機組在處于長時間停工后），需要對熱油進行加熱，增加油加熱器的輸出功率；當油溫度較高時，通過增加三通閥門直通開度，增加油冷器的換熱量，達到降溫的目的。如圖5所示，采用兩級溫度調節器實現串級PID調節。其中主調節器TIC50648的PV值來自溫度高選器，作為副調節器TIC50642的SP值，TIC50642計算后輸出控制三通閥TV50642和電加熱器ISL50642，從而通過控制熱油溫度達到控制軸承溫度的目的。

                    

                               圖5 熔融泵軸承熱油溫度控制方框圖

    4 結束語

    通過以上造粒機組一些典型控制應用實例的介紹，可以體會到西門子S7-400H/F系列PLC能夠實現各種復雜控制功能，控制精確，提高了機組的整體性能；通過關鍵部位故障安全型I/O模塊的選用和聯鎖功能的實現，能夠更安全的保證設備的安全。真正體現了西門子S7-400H/F系列PLC對于大型造粒機組控制的強大優勢。 


                                     源自《自動化博覽》