一种塑料管材挤出生产线设备的控制

摘要：介绍了一种塑料管材挤出生产线设备的整线电气控制，满足其生产线设备的控制要求。分析了塑料管材挤出生产线的生产和控制工艺要求，特别是各设备控制的关键，以及整线设备之间的通讯连机和安全控制。提出了一套简洁并符合欧盟安全标准的整线设备接口方案，采用PLC新款产品进行整线电气控制并符合工业4.0的要求。指明了如何应用西门子S7-1200和S7-200 Smart可编程控制器，根据实际控制需要合理配置，完成管材挤出生产线设备的电气控制。

关键词：管材挤出生产线、可编程控制器、Profinet通讯、工业4.0、组合式接插件

ABSTRACT： This paper introduces the whole electrical control of the extrusion line for plastic pipes， which meets the control requirements of whole extrusion line. The production and control process requirements of plastic pipe extrusion line are analyzed， especially the key points of equipment control， as well as the communication connection and safety control between equipment. This paper presents a concise interface scheme for the whole line equipment which meets the EU safety standards. The new PLC products are used for electrical control of the whole line and meet the requirements of industry 4.0. It points out how to use Siemens S7-1200 and S7-200 Smart programmable controllers to configure reasonably and complete the electrical control of pipe extrusion line.

Key words： pipe extrusion line， programmable controller， Profinet communication， industrial 4.0， combined connector

1、引言

塑料管材挤出生产线设备用于制造塑料管材，原料为塑料粒料，产品主要为通水、通气和通线缆等塑料管道。管材挤出行业跟我们日常生活密切相关，在整个塑料设备行业的市场，管材挤出生产线设备发展很快速[1]。但目前国内的塑料管材生产线设备参齐不齐、档次高低不一，整线安全急停保护欠缺或不达标[2]。笔者介绍如何使用西门子可编程控制器，组成管材挤出生产线设备的单机工作和整线联动工作。

2、正文

2.1、管材挤出生产线设备组成及其工作

笔者仅对PE和PVC两种工艺相近的塑料管材挤出生产线设备进行探讨。该管材挤出生产线设备主要由挤出机、挤出模头、真空箱、水箱、牵引机、切割机和翻料架组成;以及辅机设备：上料机、干燥机和称重系统等。管材挤出生产线的工作流程：原料干燥（干燥机）-送料（上料机）-加热塑化挤出（挤出机+模头，加配称重系统）-管道冷却和定型（真空箱）-管道充分冷却（水箱）-管道拖拉和输送（牵引机）-管道定长切割（切割机）-管道储存（翻料架）。

挤出机主要是把塑料粒料经过机筒螺杆进行加热和塑化从模头挤出管状熔胶。变频器对交流电机进行变频调速工作，经过齿轮箱减速带动螺杆转动，完成塑化和挤出工作;使用温度工艺PID对机筒和模头进行加热冷却控制。其中，螺杆挤出量精度跟挤出电机的转速和螺杆每转排量均有关，螺杆每转排量误差基本在1～3%左右，所以电机速度精度要達到5‰以内即可;同时，挤出电机需要低速高扭矩输出，通过变频开环矢量控制模式能满足其控制性能和精度要求。挤出机是生产线的终端，负责各单元之间的联动控制：多个挤出机之间、挤出机和牵引机之间的速度跟随同步控制;称重系统和挤出机的集成并联动工作等;对下游设备进行远程控制和监控等等。

牵引机通过驱动履带或皮带，在线对管材进行夹紧拖拉和输送。管材线性壁厚精度跟牵引机的速度有关，而牵引速度精度又跟每个履带的速度和扭矩一致性有关。牵引管材需要低速大扭矩输出，牵引速度按工艺要求要达到1～2‰的精度。综上所述，如何解决每个履带电机的速度和扭矩一致性是牵引机控制的难点。目前行内成熟的控制方案是一个伦茨驱动器的84 Top Line系列同时驱动多个交流变频电机或异步伺服电机。

切割机主要是要在线把管材切断。其一是定长切割工作，通过管材计米轮上的编码器高速脉冲输入，换算成实际管材当前生产长度，定长输出切割信号和翻料信号。其二是锯台工作，接收到切割信号后，锯台跟随管材速度或位置同步随动，刀架旋转并进刀切割，把管道圆周切断。锯台随动工作由伺服电机驱动完成，做凸轮曲线的位置随动追切工作;刀架旋转的公转电机使用变频开环矢量控制模式驱动。

2.2、管材挤出生产线设备控制

笔者介绍了两台挤出机共挤并各带一个称重系统，加上牵引机和切割机的整线通讯和控制。  S7-1200 CPU集成了一个PROFINET通信口，支持以太网和基于TCP/IP和UDP 的通信标准。该物理接口是支持10/100Mb/s的 RJ45口，支持电缆交叉自适应。使用该通信口可以实现S7-1200 CPU与HMI触摸屏的通信，与其它CPU之间的通信。作为生产线的终端，基于西门子S7协议，挤出机1的S7-1200 CPU同时跟挤出机2的S7-1200 CPU、牵引机的S7-200Smart CPU和切割机的S7-200Smart CPU进行以太网通讯。CPU与CPU之间的数据访问，使用“PUT/GET”。S7-1200的CPU之间可进行4个DB数据块的通讯读写， S7-1200和S7-200 Smart的CPU之间仅能进行1个MD数据块的通讯读写，范围：MB0-MB32。S7-1200支持最多8个PUT/GET客户端或服务器。

如图2.2.1所示，S7-1200的CPU需要设置开发的功能，允许来自远程对象的PUT/GET通信访问。

挤出机1对各单元进行数据读写的通讯变量分别为：挤出机2的速度、温度控制、称重系统的米重和产能等设定和显示的数据读写，熔温、熔压、扭矩、报警等实际值和状态的数据读取，电机、温控等工作控制位的写入;牵引机的速度设定和显示的数据读写，运行状态、扭矩和报警等的数据读取，启动和夹紧等工作控制位的写入;切割机的定长切割参数等的数据读写，运行状态和报警等的数据读取。PROFINET通讯口是一个完全开发的接口，能把整个生产线的工艺参数和状态，实时上传给上位机，符合工业4.0的要求[3]。

如图2.2.2所示，笔者提供了一套性价比高的管材挤出生产线设备的电气控制方案[4-5]。其中，挤出机1使用第二代精简型12”触摸屏作为HMI，除了该机的操控以外，其它设备的远程操作和工艺参数都集成在该画面上;主要使用S7-1200系列PLC，通过Modbus RTU协议[6]跟ABB最新款变频器ACS580做RS485通讯，控制挤出电机的速度;S7-1200使用以太网通讯连接并集成伊诺克斯称重系统，称重系统通过失重控制原理，对挤出螺杆速度进行自动调整，把螺杆的挤出排量误差从1～3%降低到1%以内，大大减少原料的浪费;S7-1200内置专业工艺温度PID控制功能块，控制机筒和模头的加热和冷却，温控精度达到1℃范围以内;通过PLC的逻辑输入输出，采集本机及整线设备的工作状态。以太网线和路由器组成拓扑结构网络，连接本机和上下游设备之间的控制。挤出机2的控制工作和元件跟挤出机1的本机控制工作完全相同。牵引机的PLC选用S7-200 Smart，使用简易按钮式面板作为人际界面;使用伺服级别的Lenze84 Top Line驱动器，控制多个变频电机或伺服电机，均在异步伺服闭环控制模式下进行调速工作;跟S7-200 Smart之间通过Modbus RTU协议做RS485通讯。切割机的PLC和HMI跟牵引机相同;通过高速脉冲输入，把计米轮上编码器信号转换为管材的在线生产长度，通过比较设定并输出切割和翻料动作;通过Modbus RTU协议跟驱动锯台刀架旋转的ABB变频器ACS355做RS485通讯;通过S7-200 Smart内置的运动控制功能，输出高速脉冲给台达伺服驱动器[7]，驱动锯台走凸轮曲线的位置追切控制工作。

2.3、管材挤出生产线设备接口

塑料管材生产线设备的长度很大，从前面到最后面基本都超过40米，各单元之间的連线和急停安全保护需要通过上下游设备接口来完成，需要考虑设备之间连接的简易性[8]。

如图2.3所示，笔者提供了一种连接简洁、安全可靠的接口。上下游设备之间的通讯连接统一为以太网，下游设备的相关控制和工艺数据统一集中到挤出机1上。为提高安全保护，增加统一的整线安全急停回路;在任何一个设备上都可安全停止其它设备，以及在任何一个设备上都能进行整线设备的急停复位，简单方便和安全可靠，符合欧盟对塑料管型材生产线设备与设备之间的安全防护要求。为了连接简易，采用组合式接插件，网线和急停回路6芯电缆共用一套接插件，降低配线和安装工作量。采用相同一进一出的方式，上下游设备的接口和连线是相同的，从前到后顺序性地串联起来，不会有任何分叉和交叉。

3、结语

综上所述，笔者全面介绍了管材生产线的整线控制，详细描述整线设备的工艺要求和控制关键，提供了性价比高并可靠的控制方案，给相关设备制造提供了一种可行的控制方案。由于过于考虑成本，牵引机和切割机只有简易按钮操作面板，定长切割等设置和操作被放在终端挤出机1上，存在一定程度上的操作不方便。在牵引机或切割机上增加一个触摸屏作为HMI，将能解决前面提到的问题。

作者简介：谭剑浩 男、1979年2月、广东四会、工学士、电气设计及自动化领域。

参考文献

[1]  张友根.“十二五”我国挤出成型设备科学发展的分析研究[J].塑料包装， 2011，21（04）：11-17.

[2]  张友根.挤出设备的现状及调整产品结构的研究[J].上海塑料，2010（04）：25-33.

[3]  穆慧灵. 基于现场总线的电线生产线网络控制研究[D].内蒙古科技大学，2007.

[4]  沈侃，孙丽娜.电气控制与可编程序控制器的原理及应用[J].时代农机，2018，45（01）：88.

[5]  霍海波，尚飞.基于PLC的塑料挤出生产线集散控制系统的研究[J].塑料工业， 2016，44（03）：100-102+118.

[6]  胡兴文，吴耀兴.Modbus通讯协议在电脱供给泵和ABB800xA系统通讯中的应用[J].化学工程与装备，2019（01）：243-246.

[7]  S7-200PLC在伺服电机位置控制中的应用[J].数字技术与应用，2018，36（01）：17+127.

[8]  王积森，李刚.关于EPIS控制系统在塑料管材生产线上的应用[J].制造业自动化， 2003（03）：65-66.