摘要：本文針對雙螺桿擠出機設備的特點，利用臺達全套自動化產品，為客戶實現同向雙螺桿擠出機的全自動控制。此系統充分利用臺達各產品的強項，并用HMI和PLC將這此產品整合，達到強強聯合的效果。此套控制系統，構架巧妙，控制精度高，為客戶提供了一個性價比優異的控制方案。
關鍵字：雙螺桿擠出機、臺達、控制精度。
Abstract: This article mainly introduces the characteristic of co-rotating twin screw extruder.It realizes automaic control of co-rotating twin screw extruder for customers. This system utilizes each Delta’s products’ advantage and integrates them with HMI and PLC. Thus it can acquire a good result.This control system offers a high performance-price ratio control scheme with its good framework and high control precision.
Key words: Co-rotating twin screw extruder, Delta, Control Precision
1 前言
在橡塑機械領域中，作為聚合物加工的主要設備之一，同向雙螺桿擠出機以其優異的分散和分布混合能力、較窄的停留時間分布、優良的自潔性等特點，廣泛地用于聚合物配混、排氣及反應擠出等領域。
目前雙螺桿擠出機控制系統的控制方式主要可分為傳統的繼電器＋溫控表控制模式、PLC控制模式和DCS控制模式。傳統的繼電器＋溫控器控制模式的優勢在于價格便宜，缺點是電柜尺寸大，線路復雜；DCS主要用于大型生產線，檔次高，但價格昂貴。而以PLC為控制核心的控制模式是目前擠出機控制系統的主流。
在本文中，作者和大家分享利用臺達全套自動化產品，開發的同向雙螺桿擠出機控制系統，本系統充分利用臺達機電產品的高靈活性和擴展性，這些都為PLC在橡塑機械領域的應用提供了極大地方便。
2 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主驅動電機、傳動系統、溫控系統、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圖

原料從料斗經喂料系統進入塑料擠出機，物料通過溫控系統加熱后以合適的溫度在擠出機中熔融混煉，由真空系統去除廢氣，混煉后的熔體以一定的壓力通過造粒模板被擠出，經冷卻、切粒輸送至料倉。此設備中，主驅動電機轉速、喂料機轉速的轉速均可根據生產能力調節控制。
3 選型配置：
3.1 調速部分
此設備的主驅動電機為三相交流異步電機，電機功率為11KW，變頻器采用臺達VFD-B系列高機能，矢量控制型變頻器110B43A，此變頻器適合帶動恒轉矩負載，起動轉矩大，在150%額定電流的過負載情況下，可以連續工作1分鐘，此性能在擠出機啟動時（此時設備的阻力最大）十分重要。
喂料電機采用臺達迷你型M型變頻器，此型號變頻器體積小巧，還具備簡易矢量功能 ，并可實現電機的靜音運行。
臺達變頻器都內建RS485接口，通訊協議為標準的MODBUS。
主電機變頻器和喂料電機變頻器的頻率給定是由PLC通過RS485接口給定，操作時可在B05S100觸摸屏上任意修改轉速，實現主機、喂料電機的精確速度給定；同時PLC通過MODBUS通訊讀取變頻器的工作頻率和電流，了解設備的工作情況，并在觸摸屏上進行顯示，當PLC讀取變頻器的輸出電流達到設定報警電流值并持續一定時間時，PLC會停止主機運轉，提示操作人員查找故障原因。
3.2 溫控部分
擠出機工作時，如果擠出溫度過低，會使出料口不暢，造成擠出機構負載過大；如果擠出溫度過高，則可能改變原料特性，導致成品報廢；因此擠出溫度控制決定著塑料擠出機的性能。擠出機的加熱裝置采用的是電加熱，而冷卻采用水冷，通過控制排管中水循環帶走熱量，因此要求溫控表具有雙輸出功能。
根據以上要求，我們采用DTE模塊化溫控器，6個溫控區分別進行精確溫度控制，控制模式為PID，加熱/冷卻雙向控制，并可自整定，溫度控制精度可達±1℃，這樣可確保同向雙螺桿擠出機的正常運行。加熱的輸出選擇的是電壓脈沖輸出，用來驅動SSR，冷卻的輸出選擇為繼電器輸出 ，直接帶動電磁閥。
另外，此設備還要在機頭處檢測熔體壓力和溫度，熔體壓力變速器過來的信號為0-10V,對應0-25MPA，熔體溫度過來的信號為分度號為K的熱電偶信號。如果要將檢測熔體壓力，傳統的方法是使用PLC的模擬量模塊，但是為1-2路信號選1個4路模塊在成本上來說有點高，而由于臺達DTE溫控器有擴展DTC溫控器的能力，因此我們選擇2臺DTC2000R作為DTE的擴展，DTC和DTE共用電源線和通過線，并且DTC既可接溫度傳感器信號,又可接標準的0-10V和4-20Ma信號，這樣既減少了接線，又使節約的客戶的成本，體現了臺達產品配套時的靈活性和高經濟性。
3.3 主控PLC和觸摸屏
觸摸屏根據客戶要求，選擇臺達5.6寸B系統觸摸屏B05S100，此觸摸屏利用其多通訊口的優勢，COM1口與PLC相聯，設置設備的工作參數，COM2口通過RS485與DTE溫控表相聯，顯示與設置DTE的當前值與目標值。
PLC選擇的是臺達小型高性能EH2系列PLC，DVP48EH00R2, 是控制的核心。開關電源選擇的也是臺達工業平板電源PMC-024V100W1AA，此產品為全鋁外殼，輸出能力強。
3.4 最終配置：
（1）PLC: DVP48EH00R2*1
（2）人機界面： DOP-B05S100
（3）變頻器: VFD0110B43A+VFD015M43B
（4）開關電源：PMC-024V100W1AA
（5）溫控器：DTE10T*1+DTE20T*1+DTE20V*2+DTE20R*2+DTC200R*2
4 系統架構
系統框架如圖2所示。


圖2 系統架構圖

其中，臺達模塊化的DTE溫控器用來控制溫度，B05S100觸摸屏利用其多通訊口的優勢，COM1口與PLC相聯，設置設備的工作參數，COM2口通過RS485與DTE溫控表相聯，顯示與設置DTE的當前值與目標值，PLC用來控制整機的邏輯，VFD-B變頻器用來給主驅動電機調速，VFD-M迷你型變頻器用來給喂料電機調調速，PLC通過內建的RS485口與兩臺變頻器通訊，設定變頻器的工作頻率，讀取工作時的轉速與電流。
5 上位機畫面功能
5.1溫度參數設置畫面
溫度的設定與顯示畫面如圖3所示，此功能是觸摸屏直接通過屏的RS485口與DTE和DTC通訊。


圖3 溫度參數設置畫面

5.2正常開機流程畫面
此設備的工藝流程是，首先，溫控器先控制執行元件讓機器升溫到正常工作溫度，然后打開油泵，油泵打開后才能開主機，主機啟動后，喂料電機才可啟動。其它電機如水泵，真空泵，切粒等電機在需要時啟動。如果沒有異常，機器就這樣正常運行下去。
在臺達B05S100屏上設置主機及喂料電機的頻率，還包括主機運行時的報警電流準位，如圖4所示：


圖4 正常開機流程畫面
5.3 觸摸屏宏程序說明
觸摸屏啟動時，會先執行INITIAL宏程序（如下），將DTE, DTC溫控器的工作模式及傳感器類型與范圍做個設定，之后，DTE自動進行溫度控制。

并且工作中，熔體的壓力與溫度由DTC2000R檢測，檢測值由觸摸屏通過BACKGROUND宏將溫度與壓力寫入PLC的D200,D210寄存器，

5.4 保護及報警處理
此控制系統具備保護功能及整機工藝聯鎖控制。當出現過電流、過載及熔體壓力過高等異常情況時，自動停機，保護設備。
在PLC程序中，PLC判斷熔體壓力及主機電流是否超限，如果超限并且持續時間超過一定時間，報警停機，并在觸摸屏上顯示。
當外部設備發生故障時，如空開跳閘，同樣可通過HMI報警，方便故障診斷和維修。以下是設置和顯示的畫面，見圖5。

圖5 系統報警畫面
5.5 狀態顯示
正常生產時，操作人員可通過狀態畫面，能實時了解當前機器的工作情況，方便工藝參數的調整，見圖6。在溫度控制方面，觸摸屏程序還提供了溫度曲線查看及溫控器輸出百分比柱狀圖查看，方便客戶對產品的品質進行監控，見圖7和圖8。

圖6 狀態顯示畫面

圖7 溫度曲線圖

圖8 溫控器輸出百分比柱狀圖
5.6 PLC與變頻器通訊程序
由于臺達PLC內建MODBUS便利通訊指令，因此在程序中使用十分方便，編程時最重要的就是保證在同一時刻，只有1條通訊指令執行，并且當通訊完成后，立刻觸發下1筆通訊，保證通訊速度。見圖9.

圖9 PLC與變頻器通訊程序
6 結束語
此設備調試完成后，得到了客戶的好評。臺達自動化產品在同向雙螺桿擠出機上成功的應用表明，通過成套使用臺達產品，可使設備的控制架構最優化，成本最省化，使客戶的利益最大化。運行實踐表明，系統性能穩定，安全可靠，性價比高，值得業界同行借鑒和推廣。
【參考文獻】
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