PET-G廢料回收系統(tǒng)的自動控制

郭景宏，薛凱，張磊

(天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730060)

熱收縮薄膜（PET-G）作為一種塑料薄膜，不僅具有環(huán)保性、耐化學(xué)性，而且其制品具有良好的性能，容易加工，可回收二次利用，主要用于醫(yī)療保健品、生物性包裝等領(lǐng)域[1]。然而，PET-G廢料碎料顆粒大小不一、質(zhì)量不均，真空吸粉量不穩(wěn)定，擠出機(jī)頭壓力波動范圍大，這些問題不僅對真空上料機(jī)有較高要求，還需對計量稱喂料量精確控制。本文主要介紹了軟件設(shè)計、硬件構(gòu)成特點，系統(tǒng)功能實現(xiàn)方法和控制技術(shù)的改進(jìn)。

1 系統(tǒng)簡介

PET-G熱收縮膜廢料回收新生產(chǎn)線主要設(shè)備有破碎機(jī)、上料系統(tǒng)、除塵分離系統(tǒng)和喂料系統(tǒng)，流程如圖1所示。首先將廢料二次破碎，通過真空上料機(jī)吸到二樓大料倉，經(jīng)除塵金屬分離后，計量喂料系統(tǒng)加料到擠出機(jī)，新系統(tǒng)融到老系統(tǒng)，廢料與粒料混合生產(chǎn)，實現(xiàn)廢料回收再利用。

圖1 PET-G廢料回收系統(tǒng)流程圖

1.1 硬件構(gòu)成

擠出機(jī)組控制部分硬件系統(tǒng)包括動力變頻柜、元器件控制柜，現(xiàn)場包括料位計、壓力傳感器等，以及計量喂料系統(tǒng)。

現(xiàn)場諸多電機(jī)取故障信號、啟停信號，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動加手動多重啟停方式；計算稱喂料量，多次淘洗除塵及金屬分離，以保證膜質(zhì)量，實現(xiàn)對壓力、系統(tǒng)自動運行的精準(zhǔn)控制。筆者選用SIEMENS S7-1200，在Portal 16.1中進(jìn)行組態(tài)，設(shè)備硬件組態(tài)畫面如圖2所示。主機(jī)CPU、工控機(jī)、計量稱三者之間采用Profinet通訊，監(jiān)控畫面?zhèn)鞯缴衔粰C(jī)WinCC RT Advanced顯示。

圖2 設(shè)備硬件組態(tài)圖

擠出機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計采用PLC+HMI模式，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流的采集、讀取和顯示，系統(tǒng)之間的聯(lián)鎖保護(hù)、故障報警提示，主機(jī)與喂料稱之間的通信以及整套系統(tǒng)畫面監(jiān)控等功能。

1.2 軟件設(shè)計

根據(jù)工藝要求，軟件設(shè)計包括電機(jī)自動啟停、料位聯(lián)鎖保護(hù)、故障報警提示，及主機(jī)與喂料稱之間的通訊等過程。新系統(tǒng)控制總覽如圖3所示,可以在工控機(jī)屏讀取數(shù)據(jù)，觀察運行過程，并根據(jù)工藝要求進(jìn)行PLC編程，使料位計控制電機(jī)啟停喂料。大料倉設(shè)有三處料位計，分別是L位、HH位、H位。在L料位狀態(tài)下，先啟動輸送風(fēng)機(jī)，20 s后啟動粉粹電機(jī)進(jìn)行二次破碎，接著除塵器A啟動，大料倉攪拌電機(jī)和喂料電機(jī)也隨之啟動。自動停止聯(lián)鎖恰好相反，大料倉料位達(dá)到H時，大料倉喂料機(jī)停止運行，二次粉碎機(jī)停止，接著延遲20 s輸送風(fēng)機(jī)停止，最后除塵器A停止。料位聯(lián)鎖保護(hù)是在大料倉HH料位，此時該倉喂料停止；如果輸送風(fēng)機(jī)故障報警，則大料倉喂料停止，隨之二次粉碎機(jī)、主機(jī)喂料也停止。

圖3 新系統(tǒng)控制總覽圖

圖4 是在整個系統(tǒng)運行時，大料倉攪拌電機(jī)自動啟停情況展示，可以看到通過料位高低控制大料倉攪拌電機(jī)啟停，在聯(lián)鎖保護(hù)下，保證了各電機(jī)按工藝要求正常運行。廢膜經(jīng)過破碎機(jī)粉碎后，需要重新通過失重式計量秤加料到雙螺桿擠出機(jī)，最后經(jīng)過模頭成型、拉膜，將廢料回收利用得到新熱塑膜。

圖4 大料倉攪拌電機(jī)啟停展示圖

2 控制系統(tǒng)特點

PLC模塊組成如圖5所示。操作顯示在工控機(jī)，CPU為SIMENSE S7-1200系列1215，其他數(shù)字量輸入與輸出在西門子網(wǎng)站上挑選目前最新模塊。

圖5 PLC模塊組成圖

整個系統(tǒng)程序由TIA Portal V16編程軟件開發(fā)，S7-1200 PLC作為整個控制系統(tǒng)核心部分，通過自帶I/O口和拓展DI、DO模塊對料斗開關(guān)、電機(jī)遠(yuǎn)程啟停以及變頻器故障報警進(jìn)行控制。模擬量輸入EM231模塊，對變頻器參數(shù)進(jìn)行反饋控制，EM232模擬輸出模塊調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3 機(jī)頭壓力控制

機(jī)頭壓力不穩(wěn)定，會導(dǎo)致拉膜厚度不一、粗糙程度不同，本文采用手動加自動方法來控制機(jī)頭壓力。其中，保持螺桿轉(zhuǎn)速和計量泵轉(zhuǎn)速不變，隨著壓力的浮動調(diào)節(jié)喂料量，計量泵轉(zhuǎn)速確定產(chǎn)量，手動粗略設(shè)定喂料量Sv，再通過自動微調(diào)穩(wěn)定機(jī)頭壓力。手動喂料量由泵轉(zhuǎn)速確定；喂料稱喂料量=手動喂料量±自動喂料量Mv。整個控制是在閉環(huán)狀態(tài)下完成，控制原理如圖6所示。工控機(jī)上設(shè)定壓力值，壓力信息經(jīng)通信線路傳輸?shù)絇LC，機(jī)頭壓力也由傳感器讀入PLC，兩者比較后差值e經(jīng)過PID計算用于調(diào)節(jié)喂料量。在整個開機(jī)過程中，傳感器不斷地把實時壓力傳送到PLC中進(jìn)行數(shù)值比較，如果當(dāng)前壓力值高于或低于設(shè)定值，PLC就發(fā)出指令，調(diào)節(jié)喂料量以達(dá)到控制壓力的目的，使機(jī)頭壓力維持在一個穩(wěn)定范圍內(nèi)[2]。

圖6 壓力控制原理圖

喂料稱自動加料，PLC程序調(diào)用模塊，通過模塊在程序中編寫喂料量程序，圖7是稱重模塊程序。TIA Portal V16編程軟件寫入喂料量程序，使得計量稱能夠自動調(diào)節(jié)，保持壓力穩(wěn)定，即計算出壓力變化控制量e，e與手動調(diào)速狀態(tài)下穩(wěn)定值相加，得到閉環(huán)轉(zhuǎn)速值Pv，通過模擬量輸出模塊EM232輸出4-20 mA信號，控制變頻器從而實時調(diào)節(jié)主電機(jī)電流。

圖7 稱重模塊程序

程序設(shè)計中通過模塊輸出控制變化量，由Profi net通訊方式直接寫入計量稱，設(shè)定每臺稱當(dāng)前喂料量，老系統(tǒng)已有三臺稱，現(xiàn)又增加了一臺，編程寫入，使得整個系統(tǒng)每臺稱喂料量合理，每臺稱喂料量百分比設(shè)定，總和為100%。新系統(tǒng)喂料情況如圖8所示，從圖中可以看到實時參數(shù)，這臺新喂料稱設(shè)定是100 kg/h,料重量為28.78 kg,還可以觀察到喂料螺桿轉(zhuǎn)速和從開機(jī)到當(dāng)前的累計喂料量。

圖8 新計量秤喂料情況

4 應(yīng)用效果

PET-G廢料經(jīng)過二次破碎后，碎膜蓬松、密度不均（0.1～0.3 g/cm3）、質(zhì)量不恒定，因此喂料螺桿需要特殊制作，對于一定密度范圍內(nèi)的料，通過手動設(shè)定、自動調(diào)節(jié)、喂料稱通訊，進(jìn)行合理喂料，來穩(wěn)定機(jī)頭壓力。整個開機(jī)過程中壓力比較穩(wěn)定，其值大致在2.3～2.8 MPa，壓力浮動基本控制在0.5 MPa以內(nèi)，達(dá)到指標(biāo)要求，控制情況良好。

5 結(jié)束語

廢料PET-G熱收縮膜生產(chǎn)線回收控制系統(tǒng)工況復(fù)雜，對于真空吸粉、喂料有較為苛刻的要求，本次設(shè)計首先將廢料二次破碎，產(chǎn)生顆粒大小不一、密度不均的蓬松料，真空吸粉到二樓大料倉，吸粉機(jī)螺桿特殊制作，從而將密度不一的顆粒順利吸到大料倉，料位計控制攪拌電機(jī)啟停，隨之一系列聯(lián)鎖保護(hù)保證工藝要求，經(jīng)過多次除塵，金屬分離，PLC調(diào)用稱重計量模塊能夠精確控制喂料量，保證壓力平穩(wěn)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，最終使生產(chǎn)的熱收縮膜厚度均勻、質(zhì)量良好，滿足客戶要求。