工控自動化應用方案：易控(INSPEC)組態軟件在紙漿模塑成型機監控係統中的應用

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易控(INSPEC)組態軟件在紙漿模塑成型機監控係統中的應用

摘要：　　本文介紹了PLC在紙漿模塑生產自動控製係統中的應用，重點敘述了成型機監控係統的硬件配置和功能設計。利用PID自整定功能實現真空泵恒負壓控製。利用易控(INSPEC)實現成型機生產的在線監控，自動統計產量並生成報表。實踐表明，該係統的成功解決了目前紙漿模塑生產中負壓波動大、耗能大、廢品率高的問題，提高了工作效率，節省了資源，降低了生產成本，具有很好推廣價值。　　關鍵詞：紙漿模塑成型機；易控(INSPEC)；恒定負壓；監控係統　　　　引言　　紙漿模塑工藝在我國最早應用於紙餐盒、紙托盤的生產，現已越來越廣泛的應用於儀器儀表、家用電器等進出口產品的包裝中。紙漿模塑製品是一種新型的環保包裝材料，具有可重複回收利用、生產過程環保、生產成本低等諸多優點。紙漿模塑製品的生產以廢紙或紙漿為原材料，經過調漿碎漿、成型、烘幹、整型等工序，成為具有環保、防震、防水性能的優質包裝產品。　　為wei了le能neng在zai低di值zhi的de紙zhi製zhi製zhi品pin生sheng產chan中zhong獲huo取qu最zui大da的de效xiao益yi，進jin一yi步bu降jiang低di生sheng產chan成cheng本ben，提ti高gao整zheng個ge紙zhi漿jiang模mo塑su生sheng產chan線xian的de生sheng產chan管guan理li水shui平ping和he質zhi量liang管guan理li水shui平ping，通tong過guo對dui原yuan有you生sheng產chan設she備bei進jin行xing改gai造zao和he效xiao能neng優you化hua，真zhen正zheng實shi現xian了le全quan套tao生sheng產chan線xian各ge個ge係xi統tong的de集ji中zhong自zi動dong控kong製zhi。本ben文wen將jiang針zhen對dui生sheng產chan線xian中zhong重zhong要yao的de成cheng型xing工gong序xu的de控kong製zhi進jin行xing重zhong點dian敘xu述shu。　　　　1 紙漿模塑成型機生產過程分析　　成型工序由水環真空泵、真空泵供水泵、空氣壓縮機、空氣幹燥機、成型機等組成。成型機的作用是利用負壓將配製好的紙漿吸附在紙漿模具上，經過壓模、脫水處理，利用正壓使產品從模具上脫落，然後進入下一工序。在生產過程中，成型機對負壓穩定性要求較高，一般需要負壓維持在-0.05MPa―-0.06MPa之間。負壓越低，成型機的模具吸附的紙漿越少，造成產品的厚度過薄，廢品率增加；負fu壓ya越yue高gao，一yi方fang麵mian容rong易yi造zao成cheng模mo具ju堵du塞sai，影ying響xiang正zheng常chang生sheng產chan，另ling一yi方fang麵mian使shi得de產chan品pin的de厚hou度du過guo厚hou，浪lang費fei了le紙zhi漿jiang和he電dian能neng。由you於yu成cheng型xing機ji的de數shu量liang已yi構gou成cheng一yi定ding的de規gui模mo，所suo以yi采cai用yong集ji中zhong供gong應ying負fu壓ya的de方fang式shi。所suo需xu負fu壓ya由you兩liang組zu真zhen空kong泵beng組zu產chan生sheng，一yi組zu真zhen空kong泵beng組zu包bao括kuo一yi台tai真zhen空kong泵beng供gong水shui泵beng、一台水環式真空泵。原有的控製係統全部采用接觸器、繼ji電dian器qi等deng手shou工gong操cao作zuo方fang式shi。兩liang組zu真zhen空kong泵beng組zu獨du立li控kong製zhi，工gong頻pin運yun行xing，不bu僅jin控kong製zhi方fang式shi缺que乏fa靈ling活huo性xing，而er且qie負fu壓ya波bo動dong也ye比bi較jiao大da，廢fei品pin率lv較jiao高gao。每mei台tai成cheng型xing機ji之zhi間jian的de生sheng產chan相xiang對dui獨du立li，因yin生sheng產chan品pin種zhong的de不bu同tong，需xu要yao設she定ding不bu同tong的de工gong藝yi參can數shu，由you人ren工gong記ji錄lu生sheng產chan量liang並bing進jin行xing統tong計ji。　　為了保證負壓供應的穩定，我們利用PLC和變頻器對原有設備進行了改造，采用PLC的自整定PID功能，簡單方便的實現了真空泵組的自動切換和自動變頻控製。同時采用Modbus總線技術與上位機易控(INSPEC)組態軟件通信，不僅實現了產品生產的網絡化實時監控，而且能夠自動進行產量統計、提供報表及打印功能。　　　　2 成型機監控係統的設計　　成型機監控係統主要包括上位機組態界麵、通信協議、PLC控製係統三部分。係統結構圖如圖1所示。組態軟件選用北京九思易自動化軟件有限公司開發的易控（INSPEC）。易控(INSPEC)軟件能夠支持同時與不同的PLC設備的通信。　　　　　　2.1 成型機監控係統組態設計及通信協議　　利用易控(INSPEC)組態軟件設計上位機的實時監控畫麵，如圖2所示。通過動畫模擬實時的生產狀況，使係統便於觀察和操作；配製好數據庫後，係統會自動保存重要的生產數據、生成實時曲線、統計產量、打印報表；當生產過程出現異常時，會彈出報警畫麵，自動關閉係統並提示相關處理操作。　　　　上位機與不同類型的PLC之間的通信采用不同的通信通道，本係統設置了1通道與台達PLC通信，2通道與艾默生PLC通信；同種類型的PLC之間采用尋址的方式來區分，8台成型機分別對應1~8的地址；總線選用Modbus RTU模式，PLC通信端口的設置要與上位機通信端口的設置保持一致。　　　　2.2 真空泵變頻控製硬件設計　　係統保留了原有的手動控製，方便在係統的測試、維修期間，或者在自動控製出現問題時，作為後備功能啟用。真空泵組的手動控製和自動控製由手動/自zi動dong轉zhuan換huan開kai關guan來lai選xuan擇ze。為wei了le節jie省sheng成cheng本ben，在zai自zi動dong控kong製zhi模mo式shi下xia，采cai用yong一yi台tai變bian頻pin器qi控kong製zhi兩liang台tai電dian動dong機ji，變bian頻pin器qi根gen據ju需xu要yao在zai兩liang台tai電dian動dong機ji之zhi間jian進jin行xing切qie換huan。由youPLC控(kong)製(zhi)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)啟(qi)停(ting)操(cao)作(zuo)。在(zai)負(fu)壓(ya)罐(guan)的(de)輸(shu)出(chu)管(guan)道(dao)上(shang)，安(an)裝(zhuang)有(you)負(fu)壓(ya)傳(chuan)感(gan)器(qi)，用(yong)於(yu)獲(huo)得(de)實(shi)際(ji)的(de)負(fu)壓(ya)壓(ya)力(li)。將(jiang)測(ce)得(de)的(de)負(fu)壓(ya)壓(ya)力(li)與(yu)給(gei)定(ding)的(de)目(mu)標(biao)值(zhi)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)，通(tong)過(guo)PID計ji算suan得de到dao變bian頻pin器qi的de輸shu出chu頻pin率lv。整zheng套tao裝zhuang置zhi組zu成cheng了le一yi個ge完wan整zheng的de閉bi環huan控kong製zhi係xi統tong，能neng夠gou根gen據ju實shi際ji生sheng產chan的de需xu要yao，自zi動dong調tiao節jie電dian動dong機ji的de輸shu出chu功gong率lv，從cong而er達da到dao穩wen定ding負fu壓ya壓ya力li，節jie約yue能neng源yuan和he原yuan材cai料liao的de目mu的de。　　控製係統的硬件配置包括：台安N2係列220V/440V 22kw變頻器1台、艾默生EC20係列可編程控製器（PLC）、艾默生EC20係列8AD模塊、艾默生EC20係列4DA模塊、負壓傳感器、以及空氣開關、斷路器、防雷器等係統保護性器件，還包括接觸器、繼電器若幹，主要用於PLC的繼電器輸出及變頻器在兩台電動機之間的切換。　　係統的原理框圖如圖3所示：　　　　負壓傳感器負責在生產過程中實時采集負壓壓力的信號，然後通過屏蔽雙絞線將4~20mA電流信號送到PLC控製係統的8AD模塊中，與PLC中設定的目標值進行比較，差值送入PID計算得到一個控製量，經4DA模塊轉換成0~10V的電壓信號，通過改變變頻器的輸出頻率來改變電動機的轉速，實現負壓壓力的自動調節。　　在(zai)自(zi)動(dong)模(mo)式(shi)下(xia)，通(tong)過(guo)變(bian)頻(pin)器(qi)實(shi)現(xian)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)軟(ruan)啟(qi)動(dong)，可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)的(de)減(jian)少(shao)啟(qi)動(dong)電(dian)流(liu)對(dui)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)衝(chong)擊(ji)，延(yan)長(chang)電(dian)動(dong)機(ji)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)。兩(liang)台(tai)電(dian)動(dong)機(ji)將(jiang)依(yi)據(ju)變(bian)頻(pin)運(yun)行(xing)的(de)時(shi)間(jian)（我們定為36小時），輪lun流liu作zuo為wei變bian頻pin運yun行xing的de電dian動dong機ji。在zai電dian動dong機ji變bian頻pin運yun行xing期qi間jian，如ru果guo變bian頻pin時shi間jian達da到dao規gui定ding的de時shi間jian，為wei了le不bu影ying響xiang生sheng產chan，電dian動dong機ji將jiang繼ji續xu變bian頻pin運yun行xing，直zhi到dao下xia一yi次ci啟qi動dong時shi自zi動dong轉zhuan換huan變bian頻pin運yun行xing的de電dian動dong機ji。考慮到水環式真空泵存在下限運行頻率，把變頻器的頻率下限設為36Hz，頻率上限設為50Hz。PLC首先啟動變頻運行的電動機，如果電動機連續運行在50Hz超過一段時間（我們定為3分鍾），負壓壓力仍然達不到目標值，係統將自動工頻啟動另一台電動機，並延時一段時間以後再進行判斷，避免了電動機頻繁啟停動作；如果變頻頻率低至36Hz後超過一段時間（我們定為1分鍾），係xi統tong將jiang會hui自zi動dong停ting止zhi另ling一yi台tai電dian動dong機ji，防fang止zhi外wai部bu幹gan擾rao而er讓rang電dian動dong機ji產chan生sheng誤wu動dong作zuo。電dian動dong機ji的de運yun行xing頻pin率lv可ke以yi將jiang變bian頻pin器qi的de頻pin率lv輸shu出chu信xin號hao通tong過guo屏ping蔽bi雙shuang絞jiao線xian送song至zhiPLC的8AD模塊中。　　　　2.3 真空泵變頻控製軟件設計　　本係統中設計的程序塊主要分為以下幾個部分：初始化配置，主要有PLC擴展模塊8AD、4DA的初始化設置以及特性參數的設置，還有PID各個控製參數的設置；依據變頻運行的時間，確定變頻運行的電動機和工頻運行的電動機；根據負壓傳感器的反饋信號與設定的目標值比較，進行PID運算，得到變頻運行頻率的控製量；運行頻率判斷，根據判斷結果，來決定是否啟停工頻運行電動機及變頻運行電動機的運行頻率；電動機的運行信號、故障信號檢測及過電流保護，變頻器的故障信號及複位。艾默生EC20係列PLC編程軟件自帶PID指令向導，改變了以往PLC實現PID控製算法難度大的困境，能夠非常方便快捷的生成PID配置程序和PID控製程序，減輕了編寫程序的負擔。下麵對程序中幾個比較重要的部分進行詳細的敘述。　　 PID控製參數整定。變頻控製係統選擇了4DA模塊的0~2000對應0~10V的模式，所以需要設定PID控製的輸出上下限有效，並且設定輸出下限值為0，輸出上限值為2000，與4DA模塊的輸入數字量對應，消除了控製的盲區；采樣時間要選擇合適，采樣時間過短PID指令無法執行，經過現場調試，我們選定的采樣時間為100ms；為了使測量值變化平滑，將輸入濾波常數定為10%；選擇10%的微分增益，可以緩和輸出值得劇烈變化；控製係統PID參數的整定根據負壓壓力的實時曲線來不斷的調整，最終定出合適的值。　　變頻運行時間計算及切換。程序流程圖及部分梯形圖如圖4所示。D500、D501、D502分別為停電保持的數據寄存器，D500存儲變頻運行轉換時間為36小時，D501存儲18kw真空泵組變頻運行的時間，D502存儲22kw真空泵組變頻運行的時間。X2、X4分別為18kw真空泵組變頻運行信號和22kw真空泵組變頻運行信號。M30為自動控製模式。M205的常閉觸點接18kw真空泵組變頻啟動信號，M206的常開觸點接22kw真空泵組變頻啟動信號。程序運行的結果，將使M205產生一個以72小時為周期的時鍾振蕩信號，其中首個周期的前半周期為0，也即是首先選定18kw真空泵組的電動機變頻運行。　　　　運行頻率計算。程序流程圖及部分梯形圖如圖5所示。D22為PID計算得到的頻率，D32為變頻器設定的頻率上限，D30為變頻器設定的頻率下限。T30和T31用的是接通延時計時指令，隻有當頻率到達設定的值，並持續設定的時間長度D401和D402，線圈M200、M201才會導通。線圈M200、M201、M202分別對應啟動電動機、停止電動機、控製變頻電動機的操作。　　　　3 結論　　本文利用PLC和變頻器實現了真空泵組的自動變頻控製，改變了以往紙漿模塑生產線中負壓壓力波動大，廢品率高的現狀；利用易控(INSPEC)組(zu)態(tai)軟(ruan)件(jian)優(you)越(yue)的(de)組(zu)網(wang)功(gong)能(neng)，方(fang)便(bian)快(kuai)捷(jie)的(de)實(shi)現(xian)了(le)成(cheng)型(xing)機(ji)的(de)實(shi)時(shi)生(sheng)產(chan)數(shu)據(ju)監(jian)控(kong)。實(shi)際(ji)結(jie)果(guo)表(biao)明(ming)，該(gai)係(xi)統(tong)不(bu)僅(jin)提(ti)高(gao)了(le)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)和(he)生(sheng)產(chan)效(xiao)率(lv)，而(er)且(qie)節(jie)省(sheng)了(le)原(yuan)材(cai)料(liao)和(he)電(dian)能(neng)，使(shi)係(xi)統(tong)運(yun)行(xing)的(de)方(fang)式(shi)更(geng)加(jia)合(he)理(li)、靈活、可靠。

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公司名稱：	北京九思易自動化軟件有限公司
聯係人：	梁玲
電　　話：	010-51658941-882
傳　　真：
地　　址：	北京市海澱區五道口華清商務會館1005室
郵　　編：	100083
主　　頁：	http://www.controlease.com

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