組態(tài)軟件在成型機監(jiān)控系統(tǒng)的應用

　　引言

　　紙漿模塑工藝在我國最早應用于紙餐盒、紙托盤的生產(chǎn)，現(xiàn)已越來越廣泛的應用于儀器儀表、家用電器等進出口產(chǎn)品的包裝中。紙漿模塑制品是一種新型的環(huán)保包裝材料，具有可重復回收利用、生產(chǎn)過程環(huán)保、生產(chǎn)成本低等諸多優(yōu)點。紙漿模塑制品的生產(chǎn)以廢紙或紙漿為原材料，經(jīng)過調(diào)漿碎漿、成型、烘干、整型等工序，成為具有環(huán)保、防震、防水性能的優(yōu)質(zhì)包裝產(chǎn)品。

　　為了能在低值的紙制制品生產(chǎn)中獲取最大的效益，進一步降低生產(chǎn)成本，提高整個紙漿模塑生產(chǎn)線的生產(chǎn)管理水平和質(zhì)量管理水平，通過對原有生產(chǎn)設備進行改造和效能優(yōu)化，真正實現(xiàn)了全套生產(chǎn)線各個系統(tǒng)的集中自動控制。本文將針對生產(chǎn)線中重要的成型工序的控制進行重點敘述。
　　
　　1 紙漿模塑成型機生產(chǎn)過程分析

　　成型工序由水環(huán)真空泵、真空泵供水泵、空氣壓縮機、空氣干燥機、成型機等組成。成型機的作用是利用負壓將配制好的紙漿吸附在紙漿模具上，經(jīng)過壓模、脫水處理，利用正壓使產(chǎn)品從模具上脫落，然后進入下一工序。在生產(chǎn)過程中，成型機對負壓穩(wěn)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(chǎn)品的厚度過薄，廢品率增加；負壓越高，一方面容易造成模具堵塞，影響正常生產(chǎn)，另一方面使得產(chǎn)品的厚度過厚，浪費了紙漿和電能。由于成型機的數(shù)量已構(gòu)成一定的規(guī)模，所以采用集中供應負壓的方式。所需負壓由兩組真空泵組產(chǎn)生，一組真空泵組包括一臺真空泵供水泵、一臺水環(huán)式真空泵。原有的控制系統(tǒng)全部采用接觸器、繼電器等手工操作方式。兩組真空泵組獨立控制，工頻運行，不僅控制方式缺乏靈活性，而且負壓波動也比較大，廢品率較高。每臺成型機之間的生產(chǎn)相對獨立，因生產(chǎn)品種的不同，需要設定不同的工藝參數(shù)，由人工記錄生產(chǎn)量并進行統(tǒng)計。

　　為了保證負壓供應的穩(wěn)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(xiàn)了真空泵組的自動切換和自動變頻控制。同時采用Modbus總線技術(shù)與上位機易控（INSPEC）組態(tài)軟件通信，不僅實現(xiàn)了產(chǎn)品生產(chǎn)的網(wǎng)絡化實時監(jiān)控，而且能夠自動進行產(chǎn)量統(tǒng)計、提供報表及打印功能。
　　
　　2 成型機監(jiān)控系統(tǒng)的設計

　　成型機監(jiān)控系統(tǒng)主要包括上位機組態(tài)界面、通信協(xié)議、PLC控制系統(tǒng)三部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。組態(tài)軟件選用北京九思易自動化軟件有限公司開發(fā)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(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)設計及通信協(xié)議

[$page]　　利用易控（INSPEC）組態(tài)軟件設計上位機的實時監(jiān)控畫面，如圖2所示。通過動畫模擬實時的生產(chǎn)狀況，使系統(tǒng)便于觀察和操作；配制好數(shù)據(jù)庫后，系統(tǒng)會自動保存重要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、生成實時曲線、統(tǒng)計產(chǎn)量、打印報表；當生產(chǎn)過程出現(xiàn)異常時，會彈出報警畫面，自動關(guān)閉系統(tǒng)并提示相關(guān)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，本系統(tǒng)設置了1通道與臺達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(qū)分，8臺成型機分別對應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 真空泵變頻控制硬件設計

　　系統(tǒng)保留了原有的手動控制，方便在系統(tǒng)的測試、維修期間，或者在自動控制出現(xiàn)問題時，作為后備功能啟用。真空泵組的手動控制和自動控制由手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)來選擇。為了節(jié)省成本，在自動控制模式下，采用一臺變頻器控制兩臺電動機，變頻器根據(jù)需要在兩臺電動機之間進行切換。由PLC控制電動機的啟停操作。在負壓罐的輸出管道上，安裝有負壓傳感器，用于獲得實際的負壓壓力。將測得的負壓壓力與給定的目標值進行比較，通過PID計算得到變頻器的輸出頻率。整套裝置組成了一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)實際生產(chǎn)的需要，自動調(diào)節(jié)電動機的輸出功率，從而達到穩(wěn)定負壓壓力，節(jié)約能源和原材料的目的。

　　控制系統(tǒng)的硬件配置包括：臺安N2系列220V/440V 22kw變頻器1臺、艾默生EC20系列可編程控制器（PLC）、艾默生EC20系列8AD模塊、艾默生EC20系列4DA模塊、負壓傳感器、以及空氣開關(guān)、斷路器、防雷器等系統(tǒng)保護性器件，還包括接觸器、繼電器若干，主要用于PLC的繼電器輸出及變頻器在兩臺電動機之間的切換。
系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示：

　　負壓傳感器負責在生產(chǎn)過程中實時采集負壓壓力的信號，然后通過屏蔽雙絞線將4～20mA電流信號送到PLC控制系統(tǒng)的8AD模塊中，與PLC中設定的目標值進行比較，差值送入PID計算得到一個控制量，經(jīng)4DA模塊轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，實現(xiàn)負壓壓力的自動調(diào)節(jié)。

　　在自動模式下，通過變頻器實現(xiàn)電動機的軟啟動，可以有效的減少啟動電流對電動機的沖擊，延長電動機的使用壽命。兩臺電動機將依據(jù)變頻運行的時間（我們定為36小時），輪流作為變頻運行的電動機。在電動機變頻運行期間，如果變頻時間達到規(guī)定的時間，為了不影響生產(chǎn)，電動機將繼續(xù)變頻運行，直到下一次啟動時自動轉(zhuǎn)換變頻運行的電動機。 考慮到水環(huán)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(xù)運行在50Hz超過一段時間（我們定為3分鐘），負壓壓力仍然達不到目標值，系統(tǒng)將自動工頻啟動另一臺電動機，并延時一段時間以后再進行判斷，避免了電動機頻繁啟停動作；如果變頻頻率低至36Hz后超過一段時間（我們定為1分鐘），系統(tǒng)將會自動停止另一臺電動機