吳 農 曾 正 師燕燕 馬建平 王芝杰
（天華化工機械及自動化研究設計院， 蘭州 730060）
摘 要：采用貝加萊B&R 2000系列PCC實現對同向雙螺桿塑料擠出機、雙轉子連續混煉機的控制。本文對該控制系統的組成和控制技術進行了分析，并對其中的關鍵技術和難點進行了論述。
關鍵詞：PCC； 雙螺桿塑料擠出機； 控制系統
中圖分類號： 文獻標識碼：B
Application of PCC in the Control System of
Equidirectional Twin-screw Plastic Extruder
abstract: The control system of Twin-srew extruders and Twin-rotor continous mixers have been realized by the application of B&R 2000 series PCC. The configuration and control technique have been analyzed in this article,the major techniques and difficulties in this control system have been illustrated and discussed as well.
0 引言
PCC以其豐富的編程語言、靈活的模塊化組合方式、可靠的性能、強大的網絡架構和I/O總線通訊能力等優勢，廣泛地應用于多種工業領域。如橡塑機械、化工裝備、紡織機械、印刷機械、包裝機械等，并正在向越來越多的工業領域發展。在橡塑機械領域中，目前控制系統的控制方式主要有傳統的繼電器控制模式、PLC控制模式、PCC控制等模式；此外、大型裝置多采用DCS集散控制系統。傳統的繼電器控制模式的優勢在于其良好的性價比及發展多年的成熟技術；PLC控制模式可實現一般的邏輯連鎖和順序控制；PCC控制模式由于采用了實時多任務操作系統，提供了多個具有不同循環時間及不同優先級的任務等級，因此它將應用程序的掃描周期與外部的控制周期相區別，真正滿足實時控制的要求。并且使用Automation Studio編程開發環境具有強大的硬件組態能力，包括梯形圖LAD、指令表IL、結構文本ST、順序功能圖SFC及高級語言Automation BASIC、Ansi C等多種編程工具，使得PCC的組態及編程簡單明了。這些都為PCC在橡塑機械領域的應用提供了極大地方便。
1. 同向雙螺塑料擠出機的工作原理
同向雙螺桿塑料擠出機主要由驅動系統、溫控系統、主機混煉系統、喂料系統、真空系統、切粒系統、輸送系統及輔機系統等部分組成（見圖1）。
圖1 同向雙螺桿塑料擠出機構成
原料和添加劑從給料斗經喂料系統進入塑料擠出機，物料通過溫控系統以合適的溫度在擠出機中熔融混煉，由液壓換網系統和真空系統去除雜質和廢氣，混煉后的樹脂熔體在一定壓力下通過造粒模板被擠出，經冷卻、切粒輸送至料倉。主驅動電機轉速、喂料機轉速和切粒機的轉速均可根據生產能力調節控制。
2. 同向雙螺桿塑料擠出機控制系統的組成
本文以出口美國的SHJ-72型同向雙螺桿塑料擠出機控制系統為例做一闡述。
控制系統的構成如圖2所示。
圖2 同向雙螺桿塑料擠出機控制系統的構成
控制系統采用IPC+PLC（即PCC）的控制方式，上位機IPC為研華的一體化工作站（也可采用貝加萊公司的PROVIT系列工業級PC，其它品牌的一體化工作站或平板電腦）構成，主要用于數據處理、HMI監控及組態編程，它通過IF622模塊的RS232通訊口與PCC通訊。PCC是整個控制系統的核心，主要完成數據接收、數據采集和邏輯控制。它通過AT660、DI476、DI486、DO486、DO650、AM051等B&R2005I/O模塊與溫控固態繼電器、電磁閥及現場的測溫熱電偶、壓力傳感器、扭矩傳感器、接近開關、限位開關等相連接，接收和控制相應的執行機構。雙螺桿主驅動電機、喂料機、切粒機的轉速調節通過IF622模塊的RS485通訊口，采用MODBUS通訊協議進行數據通訊，實現轉速控制。通過此法可減少許多硬接線，減輕安裝工作量，降低成本，同時可大大提高系統的可靠性。
雙螺桿主驅動負載為恒扭矩特性，因此多數情況下使用直流電機，其轉速控制通常用全數字式直流調速系統驅動實現。目前，隨著電子技術及控制技術的發展，已有許多雙螺桿塑料擠出機采用了矢量控制變頻調速方式。
喂料機、切粒機及其它輔機的調速均可通過變頻器完成速度控制，使之滿足工藝要求，并保證協調運行。
3. 軟件編程的實現
下位機PCC使用貝加萊公司的Automation Studio編程開發環境，組態、編程靈活、功能強大，可以方便地對硬件進行組態，也可以使用一種或多種編程語言進行軟件編程。編程語言面向用戶，這使得控制程序的編程工作大大簡化，開發調試極為方便。
圖3 下位機AS組態畫面
首先根據所選PCC型號及模塊對硬件進行組態。然后添加系統任務、功能庫和通訊固件。最后對不同的循環任務選擇適當的任務周期時間，按照功能編寫應用程序。圖3為已完成的雙螺桿塑料擠出機組態畫面。
上位機采用北京亞控科技公司研發的基于工業網絡平臺的組態軟件平臺“組態王”Kingview6.51作為該系統的組態編程工具。組態畫面見圖4。
圖4 上位機雙螺桿擠出機組態的運行畫面
由于PCC的所有程序及數據都在CPU上處理，它的I/O口都是在程序中調用的，所以編程時與硬件設備無關，因此編程極為容易。
軟件編程主要針對以下幾點：
（1） 人機對話界面：可實時顯示系統運行狀態；對系統設備進行控制操作；并可根據需要顯示和設置系統運行數據、報警內容、修改工藝配方、實時趨勢圖、歷史報表等。見圖4。
（2） 溫度控制：溫度控制由循環任務1（Cyclic #1 -【10ms】）和循環任務3（Cyclic #3 -【500ms】）的應用程序完成（C語言編寫）。包括雙回路智能化PID控制器運算和加熱/冷卻脈寬輸出運算，利用PCC分時多任務特點，將PID調節與加熱/冷卻輸出分時控制，并可根據優化指令自動優化PID參數，其控制精度可達±1℃。可讀取各區實際溫度、加熱/冷卻狀態并在觸摸屏上顯示、修改溫度設定值、PID參數等。
（3） 調速控制：主驅動電機為直流電機，選用英國歐陸公司的E590系列直流調速器。喂料機選用西門子、ABB、三菱、臺達等系列變頻器進行調速控制。只需在數據任務（Data objects）的Datamod中定義好直流調速器及各種型號變頻器的MODBUS數據通訊格式，即可實現在應用程序中與設備無關的變量調用。操作時可在IPC觸摸屏上任意修改轉速，實現主機、喂料機的精確速度給定。同時直流調速器、變頻器將電流、轉速等參數通過MODBUS通訊反饋給主PCC，并在觸摸屏上進行顯示和進行超限報警保護控制。
（4） 通訊控制：主要包括PCC與IPC及PCC與直流調速器、變頻器及其它智能儀表兩大部分。在通訊控制程序中采用主從站智能分布式拓撲結構的MODBUS總線通訊協議方式，將各種智能儀表以無格式方式與PCC建立通訊連接，進行數據交換。
（5） 聯鎖和邏輯控制：在循環任務4（Cyclic #4 -【500ms】）中通過使用梯形圖LAD或Automation BASIC語言完成的應用程序的編寫。能夠根據系統工藝要求實現自動控制，完成完美的邏輯控制。
4. 功能的實現及技術要點
在控制系統設計及開發過程中，實現的功能及技術要點主要有：
（1） 通過MODBUS方式實現PCC與直流調速器、變頻器及其它智能儀表數據通訊，即簡化了編程難度，又減少了硬接線，節約了成本、還提高了控制系統的可靠性。
（2） 同向雙螺桿塑料擠出機溫度控制是控制系統的關鍵技術之一。控制的質量及穩定性將直接影響到混煉造粒的工藝流程和最終產品的質量。采用積木式機筒，多個溫控區分別進行精確溫度控制，PID加熱/冷卻雙向控制，控制精度可達±1℃，確保同向雙螺桿擠出機的正常運行。
（3） 功能豐富的系統狀態及系統參數實時監控，各種參數實時修改。主機轉速、喂料機轉速、切粒機轉速及其它調速設備實時調節。
（4） 系統具有完善的保護功能及整機工藝控制聯鎖。出現過電流、過載及熔體壓力過高等異常情況時自動停機，保護設備。
（5） 由于PCC采用了模塊化結構，所以配置靈活方便；控制系統上的Ethernet網絡接口和主從站結構方式，非常便于系統擴充和升級，并實現群控。
（6） 抗干擾設計是控制系統中的主要內容之一。如強電弱電隔離、良好的接地系統、控制信號線采用屏蔽線、合理布線減少線間干擾等。確保控制系統的可靠運行。此外PCC各模塊對I/O接口電路都采用了光電隔離技術，可有效抑制干擾信號。
（7） 通過基于Web的上位機組態軟件HTML格式向網絡發布工程，使用標準的瀏覽器（如IE），可以實時地查看圖形顯示，歷史曲線，報警信息，同時根據權限進行報警應答，變量修改等操作。輕松實現遠程查詢、遠程故障診斷與故障處理。
（8） 對程序稍加修改，既同樣適合于雙轉子連續混煉機和雙階擠出機的控制。
（9） 對控制點數較少的控制系統，為降低成本，增強市場競爭，也可使用B&R2003系列PCC。
5. 結束語
根據上述對整個控制系統的分析闡述，我們可知同向雙螺桿擠出機控制系統對自動化程度要求較高，控制環節和過程也較復雜。采用PCC后，整個控制系統在先進性、可靠性、控制精度和功能諸多方面都達到了較高的水平，保證了擠出機的運行穩定、安全可靠。目前，基于PCC研制的同向雙螺桿塑料擠出機、雙轉子連續混煉機和雙階擠出機，在國內外已經成功應用了數十臺（套）。
參考文獻
1. 齊蓉、肖維榮.可編程計算機控制器原理及應用.西北工業大學出版社.2002
2. B&R2000高級編程技術.貝加萊培訓教程.2003
3. 天華院. Operating Manual for SHJ-72 Twin-Screw Extruder.2006
4. 研華科技.PPC-126T用戶操作手冊.2006
5. 亞控科技.組態王用戶手冊（6.5.1.1）.2005
作者簡介
吳 農 （1961- ），男，江蘇宜興人，高級工程師，主要研究方向為工業電氣及儀表自動化控制。