1 概述
鋁塑復合管是一種新型環保建材,它集金屬管材和塑料管材之優點于一體,具有易彎曲、耐壓、耐腐蝕, 不結垢, 無污染, 保溫性能好, 安裝方便等諸多優點。廣泛應用于給水、煤氣、化工流體輸送等行業。該產品在上世紀80 年代就已由歐美發達國家研究開發出來,在我國還是近幾年才開始推廣使用。鋁塑復合管的結構特點是內外層為聚乙烯,中間為鋁合金。聚乙烯與鋁合金之間通過具有雙重親合性的熱熔膠復合而成。
PCC 是綜合了PLC 和工業計算機優點的新一代可編程計算機控制器, 具備各種標準的控制功能,支持多任務分時操作系統。其硬件采用了模塊化的靈活配置, 可帶電插撥, 可靠性高。多處理器和智能I/ O 技術使其智能性強,使用開放式總線結構,與各種系統通信方便。提供了結構化高級語言PL2000(類似C語言) , 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 的軟、硬件特點和以PCC2005 為主站,兩臺PCC2003 為從站的鋁塑復合管生產線自動控制系統。
2 鋁塑復合管工藝流程
鋁塑復合管生產工藝流程如圖1 所示。內管擠出是用單螺桿擠出機, 主電機直流75 kW, 由數字式直流調速系統E590 驅動。其功能是將塑料顆粒擠成塑料管,作為鋁塑復合管的內管；真空定徑水槽用于塑料內管的定徑和冷卻；內管牽引是履帶式牽引機,牽引電機是三相交流電機, 1.5 kW由變頻器驅動；內管涂膠擠出機, 主電機直流55kW, 由數字式直流調速系統E590 驅動,其功能是擠出粘接鋁帶和塑料內管的熱熔膠; 鋁帶開卷是輸送鋁塑復合管中所用鋁帶；鋁帶對接是兩卷鋁帶頭尾的對齊與焊接,以保證生產連續進行和產品可具有任意長度；焊管牽引是在包住塑料內管及涂膠層的鋁帶經復合成型壓成管狀后的牽引, 主電機是三相交流電機,3 kW, 由變頻器驅動；焊接平臺是將管狀鋁帶焊接成包住塑料內管的鋁管,用氬弧焊機,9.7 Kva；鋁管牽引也是履帶牽引機, 主電機為三相交流電機, 5.5 kW, 也是由變頻器驅動；外管涂膠擠出機, 主電機為直流55 kW, 由數字式直流調速系統E590 驅動, 功能是擠出熱熔膠；外管擠出機主電機為直流45 kW, 由數字式直流調速系統E590 驅動, 功能是擠出鋁塑復合管的外管;成材牽引機也是履帶牽引機,主電機是三相交流電機, 1.5 kW由變頻器驅動；切割機是1.1 kW的三相交流電機, 不變速, 用于按訂貨長度分斷鋁塑復合管；卷繞機是用于卷取鋁塑復合管的成品,主電機直流1.5 kW, 其速度給定信號來自2 # 站的模擬模塊,與PCC之間沒有通訊聯系。
圖1 鋁塑復合管生產工藝流程圖
3 可編程計算機控制器的特點
與工控機(IPC) 、集散控制系統(DCS) 、可編程控制器(PLC) 相比, PCC充分利用了微機、現場總線和軟件等方面的先進成熟技術,采用了優秀的、具有前瞻性的設計思想, 代表了工業自動化產品的發展方向。PCC采用了高性能的16 位和32 位的CPU,使運算速度得到保證。I/ O處理器主要負責網絡及系統的管理。在一個模塊上有3 個處理器,它們既相互獨立, 又相互關聯(通過DPR) , 從而使主CPU的資源得到了合理使用, 同時又最大限度地提高了整個系統的速度。同時, PCC 在硬件上采用了高達100K～16 M的應用程序存儲器(一般PLC都只有幾十K) , 使其可運行較大的軟件。其多任務分時操作系統, 可以將整個操作界面分成數個分別具有不同優先權的任務等級( Task Class) 。其中優先權高的任務等級,有著較短的執行周期(周期可由用戶設定) 。而且每個任務等級可包含多個具體任務, 這些任務中間可以再細分優先權的高低。在這種操作系統的管理下, 優先權高的任務等級總是先被執行, 剩下的時間里可執行優先權較低的任務等級。這樣使得整個控制系統得到優化, 具有較高的實時性。
PCC引入的智能分布式控制思想和現場總線技術, 使PCC具有強大的通信和網絡功能。既可通過如PROFIBUS、CAN的開放式標準現場總線組成面向應用、面向未來的工業控制方案, 也提供給用戶FRAME DRIVER(幀驅動器) 以方便實現與第三家產品連接通信。另外,還可以通過MODEM實現遠程編程和軟件維護。PCC的硬件和軟件都是模塊化的, 可以根據設計者的控制需要組合成具有廠家應用特點的專用控制系統, 并具有靈活的自由聯網和擴展能力。PCC的智能模塊內部有自己的CPU,閉環回路本身調節由智能模塊自己完成。過程控制的PID調節可以達到50μs 一個回路。
4 自動控制系統的構成和功能
4. 1 系統的硬件組成
鋁塑復合管生產線自動控制系統如圖2 所示。選用PCC2005 作為主站, 包括電源模塊PS465 ,處理器模塊和接口模塊IF060。兩個從站都選用PCC2003 ,包括溫度輸入模塊,模擬量輸入模塊,模擬量輸出模塊, 數字量輸入模塊, 數字量輸出模塊。1 # 從站控制內管部分, 2 # 從站控制外管部分,主站和兩個從站通過現場CAN總線實現實時通訊。運行編程平臺PG2000 的編程器(可用運行Windows 操作系統的微機) 接在主站進行編程。Provit5000 用于主站的操作、顯示、控制。兩個Panelware2000 分別用于兩個從站的顯示和操作。4 臺E590 直流調速系統分別驅動內管擠出、內管涂膠擠出、外管擠出、外管涂膠擠出直流電機,它們通過主站處理器模塊的IF2 口以RS422 與PCC 通訊, 由PCC 統一調整控制參數和給定值。5 臺變頻器分別用于內管牽引、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機的驅動, 它們通過主站接口模塊的IF2 口以RS485 方式與PCC 通訊。
圖2 鋁塑復合管生產線自動控制系統框圖
如表1 中對功能相同的多個輸入、輸出點進行了合并。從表中能清楚地看出鋁塑復合管生產線的主要控制信號。
表1 1 # 、2 # 從站輸入、輸出控制信號
4. 2 系統的軟件設計
用PCC 編制用戶程序相對于傳統的PLC 編程的一個顯著的優點是它的多任務處理能力。它非常適合于控制功能復雜、對實時性要求高的鋁塑復合管生產線。基于CPU上分時多任務操作系統和PG2000 編程軟件包所提供的靈活多樣的支持, 整個系統的控制程序采用PL2000 高級語言和LAD(梯形圖) 混合編制,根據其不同功能編出獨立的程序塊,并按實時性要求設定優先級。鋁塑復合管生產線的主要任務(應用程序模塊) 及編程要點為:
(1) 牽引速度的控制與協調
牽引速度的控制在鋁塑復合管生產中是至關重要的。它直接影響擠出的管材尺寸和焊接質量。如牽引速度太慢,焊頭在鋁帶上停留的時間長,易將鋁帶焊穿；如牽引速度太快, 焊接速度跟不上, 則焊不牢。牽引速度還要與擠出速度相匹配,如牽引速度過大,管子表面會出現竹節現象；牽引速度過低則會出現管材直徑過大而超差。
系統中牽引速度是根據焊接速度、擠出速度按一定的公式計算出速度給定值,通過主站接口模塊的IF2 口, 以RS485 的通信方式送到各變頻器的,并在軟件中將設定速度與實際速度進行比較,形成速度閉環控制。
(2) 溫度的控制
擠出溫度、模具溫度以及預熱、冷卻溫度直接影響成品管的表面質量。系統中,溫度采用集中控制,可以直接在人機界面上顯示實際溫度和設定溫度, 從而對加熱、冷卻單元進行監控處理和對超溫和低溫進行報警。在軟件中還采取了自學習功能, 即自動記錄不同時段、不同原料、不同模具下系統所需的參數,存放于PCC的數據模塊中。軟件可以自動計算出不同溫控所需的PID參數,溫度控制精度可達±1°C。
(3) 擠出量控制
擠出量是由PCC 主站處理器上的通信端口IF2 , 以RS422 與E590 直流傳動系統通信, 調節直流電機的轉速(即擠出機螺桿的轉速) 來調整的。擠出量是按管徑和牽引速度用公式計算出來的,以內外管徑符合標準、表面光潔為宜。
(4) 通信程序
在鋁塑復合管的應用程序中,通信程序是很關鍵的。在PCC 主站和從站之間,主站和擠出機的直流調速系統,主站與牽引機的變頻器都是靠通信進行數據交換的。主站和從站之間通過CAN 總線實現通信。CAN 總線是性能價格比很好的一種控制總線。為方便用戶實現CAN BUS , PCC 產品提供支持CAN BUS 的硬件模塊并自帶CAN接口。因此,很容易實現CAN BUS 物理連接, 并通過簡單參數設置實現PCC 系列產品之間的通信。
傳統的PLC其可擴展性和開放性都較差,尤其是引入第三方設備和應用多種通信規約時, 就顯得更困難。幀驅動器是為實現與第三方設備之間進行通信而設計的軟件工具箱。通常的數據通信,用戶必須對端口的細節了解很清楚, 才能通過編程對接口各管腳進行
