流延薄膜机组PLC控制系统的设计与应用.pdf

电气技术与自动化 黄晓华， 等 流延薄膜机组 P L C控制系统的设计与应用 流延薄膜机组 P L C控制系统的设计与应用 黄晓华 ， 曹娟 。 王伟 南京理工大学 机械 学院 ， 江苏 南京 2 1 0 0 9 4 摘要 依据流延薄膜 机组的生产 的控 制要 求 ， 建 立 了该机组 的 P L C控 制系统 ， 并 根据薄 膜 的 生产工艺 流程 和控制要求 ， 编制 了系统 的顺 序功能 图， 完成 了系统 的硬件 的设计 。实 际生 产 中 验证了系统设计的正确性和可行性 ， 提高了经济效益。 关键词 流延薄膜机 ； P L C控制系统； 顺序功能图 中图分类号 T H 1 2 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 - 5 2 7 6 2 0 1 0 0 6 - 0 1 5 9 - 0 3 De s i g n a nd App l i c a t i o n o f Ca s t i n g Fi l m M a c hi ne PLC Co n t r o l Sy s t e m HUANG Xi a o h ua， CAO J ua n， WANG W e i S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g U n iv e r s it y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 4 ， Ch in a Abs t r ac t Ac c or din g t o t h e c on t r o l r e qu i r eme nt s o f p r od u c t ion o f t h e c a s t f il m ，t h e p ap e r e s t ab l is h es t h e u nit ’ s PLC c on t r ol s ys t e m a n d in ac c or da n c e wit h f i Im p r od u c t ion p r o c e s s an d c on t r o l r eq uir emen t s． co mple t e s t h e s y s t em’s s eq u en t i a l f un c t ion c h ar t a n d t h e s ys t e m’s h ar d wa r e c i r c u i t de s ign， whic h a r e ap pli e d t o a c t ua l pr o du c t i o n a s well as v er i fyies t h e c or r e c t n es s a nd f ea s i b i l ity o f t h e s y s - t e rn de s ign， wh i c h g r e a t ly i n c r ea s e s e c on o mic e ff ec t ． Ke y wor ds c a s t i n g俐m ma ch i n e； PL C c on t r o l s y s t em s e qu en t i a l f u n c t i o n c ha r 0 前 言 近几十年来 ， 随着塑料薄膜在包装工业和食品工业获 得越来越广泛的应用， 开发高性能的塑料复合薄膜已成为 发展趋势。国际市场特别是中国市场对薄膜产品的需求 量稳步增加 ， 这为薄膜设备 的生产企业带来前所未有 的 良 好机遇 ⋯ 。然 而 ， 我 国的薄膜生产 设备长期 依赖进 1 1 ， 国 内技术与 国际先进技术 相 比较 ， 国产多层共挤流延薄膜机 组在数字化、 智能化操作控制， 机组的薄膜收卷速度 、 生产 薄膜厚度误差、 薄膜幅宽等关键指标等方面， 还存在较大 的差距。因此， 研制新一代国产高速化、 智能化 、 精密化流 延薄膜机组， 解决机组设计 中关键技术 问题 ， 发展具有 自 主知识产权的高技术， 这些技术工作是具有极其重要意义 的， 本文主要介绍 流延 薄膜 机组 P L C控制系统 的设计 。 1 流延 薄膜机 生产 的工艺过程 流延薄膜机组由①上料、 ②挤出、 ③流延、 ④拉伸 、 ⑤收 卷五大部分组成。布局效果图如图 1 所示 J 。工艺要求如 下 聚丙烯共聚物、 均聚物树脂分别经由真空上料机吸入储 料筒内， 预热烘干后由挤出机料筒加热， 螺杆剪切， 均匀塑 化 。通过过滤装 置进入静态混合器 中按设定的比例混合 后 经 T型模头内“ 衣架式” 流道扩散均匀， 通过狭窄的模唇间 隙以一定速度流在连续回转的淋膜辊上。在风刀的表面吹 压下， 熔融料立即紧贴在流延辊表面。料温从 2 3 0℃ 一 2 5 0 ℃瞬间降到 1 5℃ ～ 2 5℃即得到流延膜。流延膜在冷却辊 上进一步冷却定型， 进入动态屏幕显示的 射线测厚区域。 然后经过平衡辊的舒张调整 ， 分切边料后到达电晕处理区 域 。经 电晕处理过的流延膜再经 辅助 隐去 装置牵 引下 ， 膜 带通过张力检测辊过度到相交辊舒张展平后进入互换卷取 轴以轴心收卷方式卷成膜卷。当膜带长度达到设定值时， 自动换卷 。在每次生 产开始时 ， 需 要 由工人将 第一部 分做 出来的薄膜牵引至拉伸装置上卷好。 图 1 流延机组布 局效 果图 2 流延薄膜机生产的控制要求 首先 ， 接通主机 电源 。按 下 预热按 钮后 ， 挤 出机 和模 具 先预热 3 0 mi n ， 接着料筒 和连接部件开始加热 。当连接 部 件温度达 2 5 0℃且料筒温度达 1 5 0℃时 此 时保 证进入 模头的原料为流体 保温 3 0 m i n 。到了保温时间， 进入等 待清洗状态， 工人在此时清洗模头、 流延辊、 清洁辊等， 保 作者简介 黄晓华 1 9 6 9 一 ， 男 ， 江苏南 通人 ， 副教授 ， 博士学位 ， 研究方 向为机械制造及其 自动化 。 Ma c h in e B u i l d i n g A u t o m a t i o n ，D e c 2 0 1 0， 3 9 6 1 5 9～ 1 6 1 1 5 9 电气技术与自动化 黄晓华， 等 流延薄膜机组 P L C控制系统的设计与应用 证薄膜生产品质。 然后 ， 清洗完毕后 按下启 动按钮 ， 流延 辊直线 前后 方 向电动机正转 ， 使冷却辊向生产位置移动 ， 到达生产位后 停止。然后流延辊位置 上下 方向电动机正转 ， 使流延辊 接近模头至生产位。到位后打开挤 出机并增速 5 0 0 r ／ ra i n 。 增速完后开流延辊、 冷却辊、 冷却泵、 正负压力风刀、 薄膜锁边机。将流延辊增速至 4 0 7 r ／ m i n ， 冷却辊增速至 1 3 6 r ／ rai n 。打开测厚仪 ， 进入正 常运行状态 。 最后， 生产结束后， 按下停止按钮。同步降低挤出机、 流 延辊 、 冷却辊转速 ， 挤出机减速至 3 r ／ m i n 。关闭挤 出机 、 测厚 仪、 正负压风刀、 薄膜锁边机， 停止一切加热。当连接部件温 度降低至设定值时关闭冷却辊、 流延辊、 冷却泵。流延辊位置 上下方向电动机反转， 使流延辊远离模头， 回到非生产位。 到位后流延辊直线 前后方向电动机反转， 使冷却辊向非 生产位移动 ， 到位后停止。一次生产结束。 根据上述的控制要求 ， 该系统的控制流程图如图2 所示。 图 2 控制流程 图 3 硬件的选用以及 P L C输入输 出端 口的分配 根据流延薄膜机的控制需要 ， 选用了西门子 S 7 3 0 0系列 P L C 。本系统都选用西门子 M M系列变频器控制转速， 需要 控制转速的电动机有 3 个 挤出机电动机 、 流延辊转动电动机 和冷却辊转动电动机。根据西门子变频器选型手册， 挤出机 电动机选用 MM 4 4 0控制， 流延辊转动电动机和冷却辊转动电 动机分别用一个 M M 4 2 0控制。同时， 本系统采用了 2 个伺服 电动机分别作为流延辊转动电动机 5 ． 5 k W 和冷却辊转动 电动机 4 k W ， 9个步进电动机分别 作为流延辊风机 1 0 0 1 6 0 w 、 冷却辊风机 1 0 0 w 、 挤出机电动机 1 1 0 k W 、 挤 出机风 机 3 k W 、 正压电动机 5 ． 5 k W 、 负压电动机 7 ． 5 k W 、 流延 支架前后移动电动机 0 ． 3 7 k W 、 流延辊上下移动电动机 0 ． 7 5 k W 、 水泵电动机 7 ． 5 k W 。在控制过程中需要采集 两个部位的温度及三个电动机 的转速。温度传感器选型号 为 A C 1 9 0 0 ， 测量范围为 一 7 0℃ 一 3 0 0℃， 输出信号为4 m A一 2 0 m A的棒状插入式温度传感器。转速传感器选测量范围为 0～ 1 5 0 0 r ／ ra i n ， 输出信号为0～ 1 0 V的编码器式转速传感 器。P L C输入接点地址为 1 0 ． 1 2 4 ， 输出接点地址为 Q O ． 1 ～ Q 2 ． 4 ， 如图 3所示。 输入 输出 图 3输入 输出端 口接线 4 顺序功能 图 挤出机加热 模具加热 料筒加热 连接部件加热 直线位置电动机正传 流延辊位置电动机正传 挤出机开关 直线位置电动机反转 流延辊位置电动机反转 冷却泵开关 负压风刀 正压风刀 薄膜锁边机 测厚仪 外接电源 根据前面介绍的流延薄膜机生产的过程及控制要求、 P I I ] 输入输出端口的分配， 描述出如图4 所示的顺序功能图。 圃初 始 步 一 _ I O 1 Q O ．1 I Q o ．2]T 1 I 十TI 臣壶 亘卫夏习 开挤出机 、 模具加热 料 筒 、连 接 部 件 加 热 图 4 顺序功能 图 测 厚 h t t p ／ ／ Z Z H D ． c h i n a j o u r n a l n e t ． c n E m a i l Z Z I t D c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． e n 机械制造与自 动化 电气技术与自动化 黄晓华， 等 流延薄膜机组 P L C控制 系统的设计与应用 5 结论 通过对该系统在现场 总线 通讯方式 、 P L C编程 等方 面 做了大量的研究， 建立了以 P R O F I B U S现场总线通讯的流 延机挤压机构控制系统 的分布式方案； 绘制了系统流程 图、 梯形图， 并用 s t e p 7 v 5 ． 3编写了P L C控制程序 ， 对系统 进行仿真， 验证了程序的正确性； 完成了元器件的选型， 设 计 了控 制电路。 该 系统 已经在某公 司得到应用 ， 实践证 明该系统 的整 体性能是 比较好 的 ， 提 高 了其工 作效率 、 加 工 品质 和 生产 的 自动化率 ， 并收到较好 的经济效益 。 机通信实现 的研究 [ J ] ． 制造业 自动化 ， 2 0 0 3， 2 5 1 5 2 - 5 4 ． [ 2 ]于庆顺 ， 杨伟 ， 等． 聚丙烯流延膜的加工与应用 [ J ] ． 工程塑料 应用 ， 2 0 0 2， 3 0 1 1 2 8 3 O ． [ 3 ]汉森． P l a s t i c s e x t r u s i o nt e c h n o l o g y [ M] ． 北 京 中国轻 工业 出版 社 ， 2 0 0 1 ． [ 4 ]张家仁． 流延 P P薄 膜工艺介 绍 [ J ] ．塑料 包装 ， 1 9 9 7， 7 3 3 7- 4 0． [ 5 ]廖常初． 大中型P L C 应用教程E M ] ． 北京 机械工业出版社，2 0 0 6 ． [ 6 ]严盈 富． P L C人 门[ M] ． 北京 人 民邮电出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 7 ]张凯． 可编程控制器教程[ M] ． 南京 东南大学出版社 ， 2 0 0 5 ． 参考文 献 [ 1 3姜建芳 ， 苏少钰 ， 陈庆伟 ， 等．西 门子 s 7 ． 3 0 0系列 P L C与 P C 收稿 日期 2 0 1 0一 o 4一O 7 上接第 1 3 1 页 图 1 8 “ 拖 动” 对话框 3 运动仿真 定义分析 。 依次单击主菜单中的“ 分析 A n a l y s i s ” 一“ 机构分析 Me c h a n i s m A n a l y s i s ⋯ ” 命令 ，或单击工具栏 中的 分析 工具 ， 系统 弹出“ 分析定义 A n a l y s i s D e f i n i t i o n ” 对 话框 ， 名称接受 默认 A n a l y s i s D e 6 n o n 1 ， 在 “ 类 型 T y p e ” 栏选 择 “ 运 动 学 K i n e m a t i c ” ， 在 “ 图 形 显 示 G r a p h i c a l D i s p l a y ” 栏 中的“ 终止 时 间 E n d T i me ”处输 入 2 ， “ 帧 频 F r a me R a t e ”处 输 入 9 0 0， 并 在 “ 初 始 位 置 I n i t i a l C o n fi g u r a t i o n ” 栏选择“ 快照 S n a p s h o t ” 单选框。 起用定义的快照 S n a p s h o t l ， 并单击对话框 中的 蚓 预览 工具 ， 预览快照 ， 其余接受默认， 如图 1 9所示。单 击 按钮， 便可在工作区观看到机构在运动 ， 这 Ma c h i n e B u i l d i n g口 Au to m a t i o n ， De c 2 0 1 0 ， 3 9 6 1 5 9～1 6 1 就是该摆动凸轮机构的运动仿真实况。运动仿真结束之 后，单击 按钮 ， 完成分析的定义。通过对从动件的 位移 、 速度 、 加速 度及凸轮测量 的分析可 知 仿真 的结果 与 理论设计完 全吻合。 参考文 献 图 1 9 仿真 [ 1 ]孟兆 明． 采用微分法求解摆动从 动件盘形 凸轮机构最佳 参数 [ J ] ． 机械设计与研究 ， 2 0 0 6 6 ． [ 2]濮 良贵 ， 纪名刚． 机械设计[ M] ． 北京 高等教育出版社 ， 1 9 9 6 ． [ 3 ]葛正浩 ， 杨芙莲． P r o ／ E机构 设计 与运动仿 真实例 教程 [ M] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． 收稿 日期 2 0 1 00 9 0 9 1 61