基于PLC和變頻器的針刺環(huán)保過濾材料生產(chǎn)線改造

林祥勇

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院機(jī)械與智能制造學(xué)院，福建福州，350007）

1 概述

可編程邏輯控制器也稱為PLC，是目前工業(yè)上應(yīng)用非常廣泛的電氣控制設(shè)備，近幾年隨著國產(chǎn)PLC的迅猛發(fā)展，PLC的價(jià)格也越來越平民化。編程控制器具有使用方便，編程簡單、功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高、硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是隨著PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，使電氣控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少。使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、維修等較以往方便快捷，簡單易行，維修方便，同時(shí)還提高了控制的自動(dòng)化水平，因此在工業(yè)上受到廣泛使用。

針刺無紡布是無紡布的一種，它以聚酯、滌綸、丙綸等原料制造，經(jīng)過多次針刺后再通過適當(dāng)熱壓處理而成。生產(chǎn)過程中結(jié)合產(chǎn)品的不同工藝要求，搭配不同材料，制成上萬種各種規(guī)格的產(chǎn)品。傳統(tǒng)的針刺環(huán)保過濾材料生產(chǎn)線的工藝流程是通過開清機(jī)將不同的纖維開包開松，然后輸入到相應(yīng)的儲(chǔ)、喂棉箱形成克重合適的棉層喂入到相應(yīng)梳理機(jī)，梳理機(jī)將棉層梳理成棉網(wǎng)，再由鋪網(wǎng)機(jī)根據(jù)工藝要求將棉網(wǎng)鋪成合適的棉層。在兩臺(tái)鋪網(wǎng)機(jī)間放置一臺(tái)基布放卷設(shè)備，使基布能夠夾在兩臺(tái)鋪網(wǎng)機(jī)所鋪的棉層之間，之后傳入針刺機(jī)，通過針刺機(jī)刺成胚布。

本次進(jìn)行自動(dòng)化改造的針刺環(huán)保過濾材料生產(chǎn)線是20年前的老舊產(chǎn)品，經(jīng)過長期的使用以及中間添置一些設(shè)備后，現(xiàn)存在以下缺點(diǎn)和不足：

(1)設(shè)備來自不同的廠家，其啟動(dòng)、停止等控制模式各不相同，給定時(shí)間也不一致，生產(chǎn)過程同步性差。

(2)基布放卷臺(tái)的過渡簾和放布羅拉等工藝自動(dòng)控制水平低，一些流程需要人為手動(dòng)輔助操作。

(3)鋪網(wǎng)機(jī)的底簾需要根據(jù)生產(chǎn)線單/聯(lián)動(dòng)情況，需要人為切換跟隨設(shè)備，生產(chǎn)不夠便捷。

(4)設(shè)備之間同步性能較差，其中一臺(tái)設(shè)備一旦出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致無法全線停車。

(5)設(shè)備自動(dòng)化能力不高，現(xiàn)有設(shè)備需要配備記錄、跟蹤等輔助人員，生產(chǎn)人力成本居高不下。

本次設(shè)備改造，針對針刺環(huán)保過濾材料生產(chǎn)線的上述問題，運(yùn)用現(xiàn)階段先進(jìn)控制設(shè)備，通過PLC和變頻器等技術(shù)，提出了基于PLC和變頻器的針刺環(huán)保過濾材料生產(chǎn)線改造方案。

2 針刺環(huán)保過濾材料生產(chǎn)線自動(dòng)化改造方案

根據(jù)以上存在問題，經(jīng)過與設(shè)備技術(shù)人員仔細(xì)協(xié)商，確定了以下改進(jìn)內(nèi)容：

(1)除塵機(jī)、儲(chǔ)喂棉箱、梳理機(jī)、鋪網(wǎng)機(jī)、放布臺(tái)、針刺機(jī)等根據(jù)針刺無紡布生產(chǎn)工藝及自動(dòng)控制要求順序放置。

(2)將梳理機(jī)、鋪網(wǎng)機(jī)、放布臺(tái)和針刺機(jī)按生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)成生產(chǎn)線自動(dòng)控制方式，統(tǒng)一設(shè)置聯(lián)動(dòng)按鈕，包含手動(dòng)/自動(dòng)、停止和急停等功能，進(jìn)一步提高生產(chǎn)的自動(dòng)化能力和同步性能。

(3)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求和以往經(jīng)驗(yàn)，對生產(chǎn)不同款式的產(chǎn)品通過調(diào)節(jié)電阻調(diào)節(jié)放布臺(tái)的放布頻率實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)線之間的同步。

(4)2號鋪網(wǎng)機(jī)的底簾設(shè)定聯(lián)動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)其能實(shí)時(shí)跟隨放布臺(tái)啟停同步。

(5)以往的設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)主要依賴操作員的定時(shí)巡查，運(yùn)行數(shù)據(jù)依靠人工記錄分析，設(shè)計(jì)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析列表，同時(shí)外接傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測和控制功能。

根據(jù)以上所需改造的內(nèi)容，同時(shí)考慮簡化操作流程并提高自動(dòng)化控制能力，進(jìn)而設(shè)計(jì)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)。

3 PLC控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為提高自動(dòng)化系統(tǒng)的安全及可靠性，本次改造采用三菱FX-48M型PLC和ACS355變頻器作為控制核心，按照針刺環(huán)保過濾材料生產(chǎn)工藝將除塵機(jī)、儲(chǔ)喂棉箱、梳理機(jī)、鋪網(wǎng)機(jī)、放布臺(tái)、針刺機(jī)等設(shè)備進(jìn)行順序控制，通過PLC和觸摸屏和遠(yuǎn)程通訊技術(shù)對生產(chǎn)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測、控制，減少生產(chǎn)過程中的人員，提高生產(chǎn)線的安全、可靠、節(jié)能目標(biāo)。

(1)根據(jù)針刺環(huán)保過濾材料生產(chǎn)工藝，針對除塵機(jī)、儲(chǔ)喂棉箱、梳理機(jī)、鋪網(wǎng)機(jī)、放布臺(tái)、針刺機(jī)等設(shè)備應(yīng)用PLC按照生產(chǎn)工藝要求設(shè)計(jì)順序控制過程，同時(shí)為更加方便的實(shí)時(shí)查看各機(jī)臺(tái)的準(zhǔn)備及運(yùn)行情況，設(shè)計(jì)組態(tài)控制，通過觸摸屏實(shí)時(shí)顯示各機(jī)臺(tái)的準(zhǔn)備運(yùn)行情況如圖1所示。

圖1 組態(tài)控制界面

(2)根據(jù)安全生產(chǎn)的相關(guān)規(guī)定，對各個(gè)單元設(shè)置聯(lián)動(dòng)控制開關(guān)，進(jìn)行生產(chǎn)線各控制單元的聯(lián)動(dòng)/單動(dòng)控制方式的切換。改善工藝流程，對改進(jìn)線路中的每個(gè)控制單元增加了單動(dòng)/聯(lián)動(dòng)控制功能。

(3)梳理機(jī)生產(chǎn)線在停車的時(shí)候，因?yàn)楣に嚨囊笮枰徛郎p速停車，這就要求啟動(dòng)信號不能直接斷開，因此放布臺(tái)和2號鋪網(wǎng)機(jī)底簾的啟動(dòng)信號在給定后設(shè)置40s延遲斷開控制功能。

(4)2號鋪網(wǎng)機(jī)的底簾在聯(lián)動(dòng)模式下需要跟隨放布臺(tái)的車速，在單動(dòng)模式時(shí)需要按照其自身的系統(tǒng)速度運(yùn)行。為了方便模式切換，增加了一臺(tái)3KW的ABBACS355變頻器U100用來在聯(lián)動(dòng)時(shí)運(yùn)行鋪網(wǎng)機(jī)底簾，在輸出側(cè)用接觸器KM1001和KM102來進(jìn)行單/聯(lián)動(dòng)切換，如圖2所示。

圖2 鋪網(wǎng)機(jī)聯(lián)動(dòng)電路

(5)放布臺(tái)和2號鋪網(wǎng)機(jī)底簾需要根據(jù)生產(chǎn)情況人工調(diào)整車速，因此采用IPC240車速同步器來協(xié)調(diào)放布臺(tái)及其后級機(jī)臺(tái)的車速，如圖3所示。

圖3 IPC-240連接圖

變頻器是通過變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)改變交流電動(dòng)機(jī)工作電壓的頻率和幅度，來平滑控制交流電動(dòng)機(jī)速度及轉(zhuǎn)矩，同時(shí)變頻器具有控制方便，可靠性高，功能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)階段，通過變頻器實(shí)現(xiàn)多臺(tái)異步電機(jī)之間的同步控制技術(shù)已經(jīng)非常成熟，因此本次改造采用ACS355變頻器，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)的同步控制，ACS355是ABB公司通用機(jī)械傳動(dòng)變頻器，專為滿足廣泛的機(jī)械應(yīng)用需求而設(shè)計(jì)。廣泛應(yīng)用于食品飲料、物料輸送、紡織、印刷、橡膠與塑料以及木工機(jī)械等行業(yè)，是較為理想的選擇。

變頻器和同步器參數(shù)如表1所示。

傳送帶主速度由IPC240同步器自帶的上升下降端子外接按鈕實(shí)現(xiàn)，角度傳感器IPC-2TT給定角度偏轉(zhuǎn)信號，傳送帶速度信號通過電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，接線圖和參數(shù)設(shè)置如圖4所示。變頻器輸出的運(yùn)行頻率通過角度傳感器信號進(jìn)行微調(diào)，根據(jù)工藝要求，2臺(tái)梳理機(jī)、2臺(tái)鋪網(wǎng)機(jī)對應(yīng)電機(jī)開機(jī)升速時(shí)間設(shè)置為45s，停機(jī)降速時(shí)間設(shè)置為45s；針刺機(jī)開機(jī)升速時(shí)間設(shè)置為40秒，停機(jī)降速時(shí)間設(shè)置為48秒。

圖4 IPC240接線圖及參數(shù)設(shè)置

4 改造成果

改造后的生產(chǎn)線具備下列功能：

(1)生產(chǎn)線的各臺(tái)設(shè)備在完成開機(jī)準(zhǔn)備工作后，其完成狀態(tài)顯示在觸摸屏上顯示，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制功能。

(2)設(shè)定了單/聯(lián)動(dòng)選擇開關(guān)，當(dāng)開關(guān)切換到“聯(lián)動(dòng)”位置時(shí)，各機(jī)臺(tái)復(fù)位到初始急停位置；可自由切換聯(lián)動(dòng)和單動(dòng)控制功能?？刂剖崂頇C(jī)進(jìn)入聯(lián)動(dòng)和單動(dòng)的待機(jī)狀態(tài)。

(3)聯(lián)動(dòng)操作工按下“啟動(dòng)”按鈕，生產(chǎn)線上的各個(gè)工作單元開始按照各自的工藝設(shè)置自動(dòng)運(yùn)行。

(4)在生產(chǎn)線準(zhǔn)備停車時(shí)，聯(lián)動(dòng)操作臺(tái)或1號、2號梳理機(jī)都設(shè)置“停止”按鈕，可迅速讓生產(chǎn)線制動(dòng)，2臺(tái)梳理機(jī)2臺(tái)鋪網(wǎng)機(jī)和針刺機(jī)依據(jù)自身程序設(shè)定的停車動(dòng)作開始延時(shí)停車。等到預(yù)設(shè)放布臺(tái)停車時(shí)間到達(dá)后，過渡簾、放布羅拉和2號鋪網(wǎng)機(jī)底簾跟生產(chǎn)線同步停車，實(shí)現(xiàn)了工藝相關(guān)的延時(shí)停機(jī)功能。

(5)在生產(chǎn)過程中，本次設(shè)計(jì)設(shè)定了聯(lián)動(dòng)控制功能，生產(chǎn)線上任一機(jī)臺(tái)發(fā)生故障或急停按鈕被按下，聯(lián)動(dòng)操作臺(tái)控制變頻器制動(dòng)功能，控制所有控制單元迅速停機(jī)。

(6)設(shè)計(jì)生產(chǎn)線的組態(tài)控制界面，通過觸摸屏實(shí)時(shí)顯示各機(jī)臺(tái)的準(zhǔn)備運(yùn)行情況，同時(shí)設(shè)計(jì)了報(bào)表界面，可以對生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，配合傳感器控制，通過模擬量控制將各機(jī)臺(tái)速度等參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在智能儀表上。極大的提高了生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化水平。

生產(chǎn)線改造完畢后，通過一段時(shí)間的測試調(diào)節(jié)，生產(chǎn)線各機(jī)臺(tái)升降速配合良好，能滿足現(xiàn)有不同產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝要求，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線改進(jìn)的目的。整個(gè)改造項(xiàng)目中原先運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄和巡視等需要人工在車間完成，現(xiàn)在通過組態(tài)軟件和監(jiān)控?cái)z像頭配合報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控人員在監(jiān)控室就可以完成相關(guān)工作，提高了生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化控制程度，自動(dòng)化程度的提高也大大降低了人為事故的出現(xiàn)概率，提高了生產(chǎn)過程中的安全性。原先車間工作環(huán)境較為惡劣，在提高自動(dòng)化程度的同時(shí)也降低了員工患有職業(yè)病的危害幾率。