一种塑料管材挤出生产线设备的控制

一种塑料管材挤出生产线设备的控制

作者：谭剑浩

来源：《中国电气工程学报》2019年第05期

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

塑料管材擠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达到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。