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(chēng)，是國民經(jīng)濟和人民生活不可缺少的一種材料。其生產(chǎn)技術(shù)較為復雜，生產(chǎn)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(chǎn)線(xiàn)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(chǎn)工藝的穩定運行非常重要，直接影響到薄膜的成型和質(zhì)量。雙向拉伸塑料薄膜產(chǎn)品的厚度最大60微米，最薄僅有6微米，生產(chǎn)線(xiàn)速度從每分鐘幾十米到三百多米不等。在薄膜拉伸生產(chǎn)過(guò)程中要求對溫度、壓力、張力、速度等進(jìn)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(zhì)的壓力和溫度，電機速度調節器等環(huán)節和參數。要想實(shí)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(shí)現。隨著(zhù)微電子技術(shù)的發(fā)展，PLC產(chǎn)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(chǎn)線(xiàn)的各個(gè)參數進(jìn)行自動(dòng)控制，并且通過(guò)PLC和變頻器之間的通訊實(shí)現對整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )控制也成為一種先進(jìn)的控制方法。實(shí)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(xiàn)生產(chǎn)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(wǎng)總線(xiàn)、FIPIO總線(xiàn)、AS-I網(wǎng)總線(xiàn)將上位機和PLC及各執行機構連接起來(lái)。該系統具有結構簡(jiǎn)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(diǎn)。執行機構主要有FVC閉環(huán)磁通矢量控制變頻器、普通變頻器、固態(tài)接觸器、電磁閥、薄膜調節閥、電動(dòng)控制閥、FVC變頻調速電動(dòng)機及三相異步電動(dòng)機等。
3  PLC實(shí)現的功能
本系統依據雙向拉伸薄膜生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)工藝的要求及設備控制系統的特點(diǎn)分為四個(gè)部分，各部分控制相對獨立。在此闡述兩個(gè)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(gè)不同的階段：采集一個(gè)或多個(gè)測量和設定點(diǎn)；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(guò)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(gè)數值（如設定點(diǎn)SP和報警設置值）可以預置在8個(gè)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(dòng)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(guò)人機接口實(shí)現對PID的控制。同時(shí)也可通過(guò)PLC的程序實(shí)現雙PID控制，從而實(shí)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(guò)PLC實(shí)現的控制，分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式，自動(dòng)控制即由PLC進(jìn)行全自動(dòng)控制，不需要進(jìn)行人工干預。手動(dòng)控制即在上位機上給定一個(gè)閥位輸出值，通過(guò)PLC對閥位進(jìn)行控制，手動(dòng)方式時(shí)內部設定點(diǎn)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(dòng)狀態(tài)運行，并且每個(gè)PID控制回路的設定值(SV)、過(guò)程值(PV)、輸出值都可以在上位機上用數字顯示，同時(shí)在上位機上可以修改各區段的溫度、壓力等每個(gè)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(guān)。
3.2  PLC與變頻器的通訊
本項目中采用了FIPIO Net開(kāi)放式的現場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)實(shí)現PLC與變頻器之間的通訊。FIPIO Net有很多特點(diǎn)：① 為開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，使用雙絞線(xiàn)介質(zhì)，符合FIPIO Net總線(xiàn)標準的國內外各生產(chǎn)廠(chǎng)商的機器均可連接，其結構簡(jiǎn)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(diǎn)拓撲結構。③ 保證波特率為1Mbps，節點(diǎn)數（從設備）32個(gè)（帶中繼器時(shí)128個(gè)），節點(diǎn)間無(wú)中繼器時(shí)1 000m（帶中繼器時(shí)15 000m）的數據傳輸距離，因而在較長(cháng)的生產(chǎn)線(xiàn)上應用簡(jiǎn)單方便。
過(guò)去通常采用模擬量信號（4～20mA或0～10V）來(lái)控制變頻器的輸出頻率，從而實(shí)現節能或調速的要求。但上述兩種信號在傳輸過(guò)程中容易受到干擾，造成系統的不穩定；同時(shí)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(lái)控制變頻器的輸出頻率，是一種純數字化的控制，無(wú)需經(jīng)過(guò)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(zhì)量的FVC變頻電機，實(shí)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(shí)，還可以通過(guò)FIPIO網(wǎng)絡(luò )將變頻器的運行狀態(tài)及故障信息等在上位機上顯示出來(lái)。
4  調試運行中應注意的問(wèn)題
PLC控制系統、各種網(wǎng)絡(luò )通訊及變頻器在安裝調試中需注意以下幾點(diǎn)：
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(xiàn)上做好系統的信號控制線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)的屏蔽和接地工作，并與動(dòng)力線(xiàn)分開(kāi)放置。
③  為PLC及變頻器控制系統提供一個(gè)合適的工作環(huán)境溫度，功率超過(guò)75kW的變頻器需加強冷卻通風(fēng)。
④  正確地將電機和編碼器的參數寫(xiě)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(lián)動(dòng)；先低速，后高速；最后聯(lián)動(dòng)運行。
⑥  及時(shí)將調試運行的參數存儲，盡快實(shí)現最優(yōu)化控制。
5  結語(yǔ)
該系統在雙向拉伸塑料薄膜生產(chǎn)線(xiàn)上運行穩定，控制精度高，系統響應速度快，薄膜產(chǎn)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(zhì)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(dòng)較大且設備維護工作量大。改造后能完全實(shí)現高度集中、快速響應、安全的網(wǎng)絡(luò )化控制，實(shí)現了集中控制和管理；生產(chǎn)過(guò)程效率高、降低了能量和物料的消耗；自動(dòng)化程度高，降低了工人的勞動(dòng)強度；人機對話(huà)方便，易于調整工藝參數，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和更換產(chǎn)品規格，便于過(guò)程數據的采集和記錄，可為+生產(chǎn)操作人員提供詳盡的資料，從而進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數、提高產(chǎn)品質(zhì)量。