S7-1200在PTFE挤出机控制系统中的应用

刘向阳

（南京肯特复合材料股份有限公司，江苏南京 211162）

0 引言

聚四氟乙烯（PTFE）在熔融状态下黏度极高（10～10 Pas），因而氟塑料不能采用一般热塑性塑料的加工方法，它的典型生产工艺是类似于球墨铸铁的粉末冶金工艺，即模压—烧结工艺。柱塞挤出工艺是将PTFE树脂加入模具挤压、升温，当物料温度超过327℃熔点时，PTFE树脂大分子链皱晶区消失，转变为无定形态，分子链伸长，体积膨胀可迭20～25。在活塞压力作用下，同时在烧结段呈黏稠态的物料阻力、模具模壁的摩擦阻力以及外加反力的共同作用下，融结成整体而成为连续的型材。PTFE柱塞挤出工艺同一般热塑性塑料所采用的熔融挤出工艺是根本不同的两种方法，柱塞挤出实际上是先压紧、后焙烧的过程。因此柱塞挤出工艺可看作是模压—烧结工艺的延伸，是连续模压—烧结过程［1］。作为S7-200的升级替代产品，S7-1200具有更高的性价比,在涵盖了S7-200原有功能的基础上又新增了许多功能,能够满足更广泛领域的应用。采用模块化设计,结构紧凑,扩展灵活方便；集成了强大的工艺功能,如高速输入、高速输出、PID控制等,可完成多种特殊工艺需求［2］。西门子KTP触摸屏凭借着TIA全集成功能，能方便地将PID的各个调节变量清晰地显示在触摸屏，并能通过触摸屏进行实时PID控制［3］。

1 控制设计

1.1 控制描述

（1）温度控制：挤出机模具上不同区域共装有6组加热圈和6个温度传感器，控制系统需根据工艺要求控制不同区域的模具温度。（2）挤出机动作控制如：挤出、回程、抽芯和抽芯退等动作的手动和自动控制。（3）自动加料部件控制：控制系统应满足对自动加料机构自动控制和手动调节。（4）生产能耗统计：对生产过程中能耗进行统计，显示每个批次的能耗和生产过程中的总能耗。（5）故障响应和提示：控制系统能够对设备出现的故障如加热电流异常、电动机异常、电磁阀异常、加料部件异常、温度传感器异常等故障快速响应和处理，在触摸屏上给出每个故障的文字描述。（6）用户权限：控制系统需设置有3个用户，分别是管理人员、调试人员、操作人员。控制系统内的所有参数需分配权限，拥有相应权限的人员方可更改生产参数。

1.2 方案描述

（1）全新设计的挤出机控制系统采用西门子S7-1200系列小型PLC，使用西门子SM 1238电能模块进行电能采集，使用热电偶模块SM 1231 AI8×TC进行6通道温度采集，使用数字量输出模块DQ 16×24VDC进行外围设备的控制。使用一块KTP 900 Basic PN的触摸屏作为人机界面，在人机界面上可以进行参数设置、手动操作以及自动运行过程监视。

（2）控制系统通过温度采集模块对6个区域的模具温度进行周期性采集，PLC周期性调用PID_Temp功能块对采集到的温度和设定温度进行计算，输出周期固定的脉冲信号给数字量输出点。数字量输出点外接固态继电器对加热圈进行控制，通过周期固定的间歇性加热来调整各个区域的模具温度稳定在设定值附近。由于挤出机模具加热具有较大的滞后，现场调试需要较长的时间，因此我们在控制系统的内部预设了可以稳定生产的PID参数。在设备调试的过程中，用户可以根据自身的需求进行PID参数的自整定或者手动调整。

（3）挤出机控制系统配置了一块9英寸触摸屏，设计有手动操作画面、自动操作画面、参数调整画面、高级参数画面、历史报警画面、用户管理画面等，用户可以根据不同的任务打开不同的画面进行操作。所有的参数都可以在触摸屏上进行设置，参数进行区域性划分，功能相关的参数被放置在同一个区域，参数设置更加直观，相同功能的参数可以集中进行设置。手动画面和自动画面分开。在手动画面可以进行基本调整操作，观察设备的基本状况；在自动画面可以查看自动运行过程中的温度、计时、压力等数据。手动调整更加方便、易用，自动运行数据查看更加直观（见图1）。

图1 自动监控画面

（4）挤出机控制系统预设了几乎所有可能出现的设备故障进行提示和记录：如温度传感器故障、加热圈电流异常、电动机故障、自动过程中各电磁阀运行异常、自动加料装置异常、料筒物料不足、温度不在范围内、温度过高或者过低等。所有的报警采用弹出式对话框的形式，当控制系统出现报警后，触摸屏会自动弹出报警窗口，显示当前报警的内容、报警确认的状态。报警解除后，操作人员必须手动确认报警，报警窗口才会关闭，确保设备运行过程中人机安全。

（5）控制系统配置了电能模块SM1238 Energy Meter，模块直接插装在PLC CPU右侧。通过该模块可以将能耗数据精确到设备级别，实现每个批号的能耗统计，方便生产成本的统计。对公司配电安排上也给予了一个可靠的数据支持。通过编写合适的程序，我们可以计算出每一个电加热圈的实时电流。在生产过程中通过实时监视电加热圈和电动机等用电设备的电流来判断用电设备是否正常。控制系统可以在几秒内诊断出设备电流的异常并给出报警等处理，防止设备进一步损坏（见图2）。

图2 电能监视画面

（6）控制系统配置了拉绳式位置尺，位置尺可以精确地测量出PTFE挤出管的长度。在自动生产过程中控制系统会对产品的长度实时监测，如果产品的长度达到用户设定的数值，设备将会暂停生产，并且给出文字和声音提示，操作人员可以进行下料操作。不再需要操作人员拿着卷尺逐台设备进行测量。位置尺也为我们产量和效率的统计提供了基础数据，通过它可以统计每天的产量和效率。利用位置尺可以计算出自动生产过程中挤出管加工的速度，把实际的生产速度和理想速度进行比较，方便调整挤出机每个动作的节拍，使实际速度接近于理想速度，做出性能更好的产品。

（7）控制系统配置了一台工业交换机，每台设备都留有远程监控的接口，通过电脑端安装监控程序，在车间管理人员的办公室可以看到每台设备的生产状况。监控电脑记录了每台设备的温度、压力等主要工艺数据，可以对每批产品的生产数据进行追溯。

（8）设备预设有20组常用工艺参数，调试人员可以根据不同批次的原料或者不同的产品进行参数的设置，再次生产相同规格的产品可以直接调用该产品的工艺参数，也可根据现场情况修改后使用。

（9）设备配置了比例溢流阀和比例阀放大板，利用系统集成的PID功能块，通过压力传感器采集挤出机挤压油缸的实际压力进行闭环控制，可以把挤出压力平稳地控制在设定范围内。我们在挤出机控制系统内增加了压力线性曲线，压力上升和下降的过程可以根据需要的斜率进行设置，在生产过程中压力平稳变化，无抖动现象。根据动作的不同我们把压力进行了细分，每个动作不同阶段给定的压力都是可以设定的，有效地避免了生产过程中压力冲击。采用比例溢流阀的另一个优点是省去了数个减压阀，简化了液压站的结构。

2 讨论

（1）目前大部分PTFE管挤出机设备采用温控仪表对温度控制，温度调整不便，需掌握基础操作的人员方可调整。仪表的参数不能按工艺限定设定值范围。模具温度是否在合理的范围内，设备都可以开机，这样的做法在流程上是不被允许的。新开发的控制系统设计有触摸屏用户权限，只有拥有权限的用户才可改动参数。需要设置的参数都被设定了上下限，不在范围的数据不能被写进控制器，确保设备运行安全。

（2）目前大部分PTFE挤出管设备没有自动加料控制系统，如果要实现自动加料控制，需另外增加一个控制电箱，增加成本，影响设备的整体性，自动加料的调整和参数设置又增加了一个分散的设置点。新开发的控制系统设计了自动加料控制程序，只需配合简单的接线即可实现自动加料。自动加料的相关参数也可在触摸屏中设置，省去了配置自动加料电箱的成本，设备看起来也更美观。

（3）目前大部分PTFE挤出管设备没有加热圈电流异常、电动机异常和温度传感器异常等报警提示。设备也未能给出相关故障点提示，维修人员到现场后只能根据经验进行诊断维修。新的控制系统配置有完善的报警功能，所有的报警都有详细的文字提示，并指出可能出现问题的地方，这样操作人员或维修人员可以根据提示很快找到故障点进行维修，大幅度减少因故障停机的时间。

（4）在新的控制系统里，我们给模具的实际温度设置了3个不同的背景色，温度在范围内背景色是绿色，温度高于设定范围背景色是红色，温度低于设定范围背景色是黄色。操作人员可以很直观地判断生产过程中温度是否正常。

（5）传统的加料机构使用普通电机，通过定时器设定一个时间来完成加料动作，加料圈数和加料位置都不能保证。加料转速不能设置，对于大颗粒的粉料，转速太高会破坏粉料的分布情况。新的控制系统里，我们采用了全数字伺服驱动器和伺服电机控制加料机构。我们可以设置加料的转速和加料的圈数，可以根据粉料批次或者颗粒的不同设置不同的转速和圈数来保证每次加料的一致性。伺服电机自带编码器，可以保证加料机构每次停止在固定的位置，保证料盘内料位高度的一致性。

3 结语

车间对整套系统使用情况很满意，操作人员可以很快上手，操作简单、提示直观。客户在审核过程中也表示了对该控制方案的认可。