基于最優(yōu)工藝跟蹤的EPS板材機(jī)控制系統(tǒng)研發(fā)

章浙根，袁建華，方志勇

(1．浙江科技學(xué)院 自動化與電氣工程學(xué)院，杭州 310023；2．杭州方圓塑機(jī)股份有限公司，浙江 富陽 311404)

基于最優(yōu)工藝跟蹤的EPS板材機(jī)控制系統(tǒng)研發(fā)

章浙根1，袁建華2，方志勇2

(1．浙江科技學(xué)院 自動化與電氣工程學(xué)院，杭州 310023；2．杭州方圓塑機(jī)股份有限公司，浙江 富陽 311404)

針對可發(fā)性聚苯乙烯泡沫塑料(簡稱EPS)板材機(jī)目前存在的效率低和熱能浪費(fèi)問題，研究開發(fā)了一套EPS板材機(jī)控制系統(tǒng)。通過優(yōu)化EPS制品發(fā)泡成形過程工藝曲線，依據(jù)智能控制策略實(shí)時(shí)調(diào)整蒸汽比例閥，控制EPS制品發(fā)泡成形過程，使其按照設(shè)置的工藝曲線變化，從而縮短了EPS制品的生產(chǎn)周期，達(dá)到了提高生產(chǎn)效率和降低能耗的目的。同時(shí)，對優(yōu)化工藝曲線、系統(tǒng)構(gòu)成、軟件結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)運(yùn)行情況作了介紹。

EPS泡沫塑料；EPS板材機(jī)；可發(fā)性聚苯乙烯；智能控制

可發(fā)性聚苯乙烯泡沫塑料(簡稱EPS) 應(yīng)用廣泛，如可用于建筑領(lǐng)域的屋面隔熱、墻體保溫、EPS夾芯板、簡易板房等[1-3]。EPS板材機(jī)是一種生產(chǎn)泡沫板材制品的制造設(shè)備，它將EPS顆粒原料經(jīng)EPS預(yù)發(fā)機(jī)預(yù)發(fā)泡，再經(jīng)過干燥、熟化處理后送入設(shè)備模腔內(nèi)，然后通入蒸汽加熱并保持模腔蒸汽壓力按照工藝要求變化，經(jīng)過發(fā)泡并保溫熔結(jié)成形，再經(jīng)排污冷卻定形后成為EPS板材制品。目前，EPS板材機(jī)通常都采用定時(shí)開蒸汽閥進(jìn)行加熱[4-5]，采用這種加熱方式時(shí)，由于擔(dān)心供熱不足而出現(xiàn)欠發(fā)泡情況，所以往往過量供熱。然而過量供熱既浪費(fèi)蒸汽，又增加了產(chǎn)品冷卻時(shí)間，加長了產(chǎn)品生產(chǎn)周期。同時(shí)，過量供熱還會導(dǎo)致板材產(chǎn)品內(nèi)部發(fā)泡破裂，出現(xiàn)黏合力差、抗拉強(qiáng)度差等問題。為了解決上述問題，本研究提出了一種節(jié)能、高效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，明顯提升了生產(chǎn)效率、降低了能耗。

1 EPS板材發(fā)泡成形工藝曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖1 優(yōu)化后的EPS板材發(fā)泡成形工藝曲線Fig.1 Optimized technological curve for EPS foam forming

要生產(chǎn)合格的EPS板材制品，發(fā)泡成形工藝設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。筆者參照國外同類先進(jìn)設(shè)備的發(fā)泡工藝曲線，結(jié)合國產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)實(shí)際，優(yōu)化了EPS板材發(fā)泡成形工藝曲線，如圖1所示。從圖1可以看出，EPS制品發(fā)泡成形需要蒸汽預(yù)熱、蒸汽快速加熱、保溫和冷卻成形4個(gè)步驟，這種發(fā)泡成形過程可生產(chǎn)出合格的EPS板材[6-8]。本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用機(jī)—電—液—?dú)鈩右惑w化結(jié)構(gòu)，供熱執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用1只比例調(diào)節(jié)閥，通過智能控制策略，經(jīng)過實(shí)時(shí)計(jì)算，與設(shè)置的發(fā)泡工藝曲線數(shù)據(jù)對比，實(shí)時(shí)調(diào)整蒸汽比例閥，實(shí)現(xiàn)對設(shè)置工藝曲線進(jìn)行跟蹤，從而達(dá)到提高生產(chǎn)效率和節(jié)能的目的。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

高效、節(jié)能EPS板材機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)有4路模擬量輸入，1路模擬量輸出，開關(guān)量輸入38個(gè), 開關(guān)量輸出38個(gè)，系統(tǒng)由信號輸入電路、輸出驅(qū)動電路、觸摸屏和PLC控制器組成。

圖2EPS板材機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
Fig.2System structure of EPS panel machine

人機(jī)界面選用西門子觸摸屏smart1000ie(型號：6AV66438-0BE11-3AX0),這是一款高分辨率、16∶9寬屏液晶、LED背光、64 K色真彩顯示屏，增強(qiáng)的64M DDR內(nèi)存使得畫面的切換速度快，集成的工業(yè)以太網(wǎng)接口，與S7-200 smart建立高速無縫的連接，可同時(shí)連接3臺控制器，集成的串口支持Modbus、RS422/485自適應(yīng)切換，使面板的通訊更加靈活；組態(tài)軟件WinCC flexible功能強(qiáng)大、應(yīng)用靈活，非常適合控制設(shè)備或生產(chǎn)線中人機(jī)界面的應(yīng)用。

可編程控制器選用西門子S7-200(型號：6ES7 216-2BD23-0XB8)，基本模塊24點(diǎn)輸入，16點(diǎn)繼電器輸出，指令速度為0.22 μs,程序存儲器24 K,定時(shí)器256個(gè)，計(jì)數(shù)器256個(gè)；擴(kuò)展輸入/輸出模塊(型號：6ES7 223-1PL22-0XA8)，為16路24 V DC輸入/16路繼電器輸出，擴(kuò)展輸出模塊(型號：6ES7 222-1HF22-0XA8)為8路繼電器輸出。

開關(guān)量輸入電路由模具位置信號、水位信號、控制命令、系統(tǒng)保護(hù)信號組成。模具位置信號輸入電路，提供模具的位置、鎖模、制品推桿、制品升降板、料倉原料的位置信號。水位信號輸入電路實(shí)現(xiàn)水箱水位檢測?？刂泼钶斎腚娐方邮懿僮鲉T發(fā)出的控制命令，完成系統(tǒng)模具的開閉和系統(tǒng)啟停。系統(tǒng)保護(hù)信號輸入電路，提供升降電機(jī)、真空泵、傳輸電機(jī)、吸料電機(jī)、水循環(huán)泵、液壓電機(jī)和抽風(fēng)電機(jī)負(fù)荷過載信號，提供蒸汽加熱和冷卻壓力突破下限的保護(hù)信號，以確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。

模擬信號處理采用西門子EM 235 4路模擬量輸入/1路模擬量輸出模塊(型號：6ES7 235-0KD22-0XA0)。采集數(shù)據(jù)處理時(shí)間2.5 ms，具有12位數(shù)字輸出。4路模擬信號分別是上模腔蒸汽壓力、下模腔蒸汽壓力、泡沫發(fā)泡壓力和蒸汽溫度，采集到的數(shù)據(jù)作為控制的依據(jù)；模擬信號輸出電路將智能控制策略計(jì)算出的控制量實(shí)時(shí)輸出，實(shí)現(xiàn)模腔壓力對設(shè)置的工藝曲線的跟蹤。

開關(guān)量輸出電路由模具、供料和供氣、加熱、排污和真空系統(tǒng)輸出控制組成。模具控制通過氣動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)完成模具的開啟、關(guān)閉、模腔大小調(diào)節(jié)、鎖模、脫模、吹氣和制品頂出的控制。供料和供氣控制實(shí)現(xiàn)對模腔定量供料及EPS制品的冷卻定形。模腔EPS原料加熱通過蒸汽比例閥控制蒸汽供量加熱，控制目標(biāo)是模腔壓力跟蹤設(shè)置的模腔壓力工藝曲線，該曲線可根據(jù)原材料情況及蒸汽溫度壓力自行設(shè)置。排污控制完成泡沫發(fā)泡過程中形成的廢料排放。真空控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中保持真空壓力的恒定，加熱前必須達(dá)到設(shè)定的壓力，EPS制品冷卻定形時(shí)，保持要求的真空度。報(bào)警功能通過聲光報(bào)警提示操作和維護(hù)人員進(jìn)行故障處理。

圖4 EPS板材機(jī)軟件框圖Fig.4 Software block diagram forEPS panel machine

3 系統(tǒng)框圖

高效、節(jié)能EPS板材機(jī)控制框圖如圖3所示。從圖可見，該系統(tǒng)為雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)閥門對控制信號的跟蹤，外環(huán)實(shí)現(xiàn)模腔壓力對設(shè)置的工藝曲線的跟蹤。智能控制策略通過系統(tǒng)控制器實(shí)現(xiàn)智能控制。

圖3 EPS板材機(jī)控制框圖Fig.3 Control block diagram for EPS panel machine

4 系統(tǒng)軟件框圖

系統(tǒng)軟件框圖(圖4)是典型的順序控制框圖，其中智能控制模塊完成模腔壓力、蒸汽溫度數(shù)據(jù)采集與濾波處理，并將實(shí)測數(shù)據(jù)與設(shè)置的工藝曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)比對，根據(jù)偏差由智能控制策略計(jì)算出閥門開度控制量，最后通過蒸汽調(diào)節(jié)閥控制蒸汽輸出，使泡沫發(fā)泡過程模腔壓力按照設(shè)置的工藝曲線變化。

人機(jī)界面由系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、工藝參數(shù)設(shè)置、手動控制、運(yùn)行監(jiān)控和幫助畫面5部分組成。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置可設(shè)置閥門開度、泡沫壓力、溫度、時(shí)間等系統(tǒng)參數(shù)。工藝參數(shù)設(shè)置可根據(jù)原料情況和EPS制品要求設(shè)置產(chǎn)品生產(chǎn)的發(fā)泡工藝參數(shù)。手動控制可以實(shí)現(xiàn)對全部輸出量的獨(dú)立控制和輸入量的監(jiān)測，主要用于系統(tǒng)的維修、調(diào)試。運(yùn)行監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品生產(chǎn)過程的全程監(jiān)控。幫助畫面用于指導(dǎo)操作和維修人員對系統(tǒng)進(jìn)行正確操作與維護(hù)。

5 系統(tǒng)運(yùn)行情況

系統(tǒng)投入實(shí)際運(yùn)行，實(shí)測得到的模腔壓力跟蹤工藝曲線如圖5～6所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)模腔壓力跟蹤隨意變量工藝曲線做到了及時(shí)跟蹤，跟蹤恒定量工藝曲線做到了精確跟蹤。系統(tǒng)投入生產(chǎn)后進(jìn)行實(shí)測，模腔壓力能準(zhǔn)確、及時(shí)跟蹤設(shè)定的發(fā)泡工藝曲線。模腔供應(yīng)蒸汽時(shí)間由原來的40 s縮短為30 s，降低蒸汽用量25%，縮短冷卻時(shí)間約8 s，解決了過量供應(yīng)蒸汽問題，降低了能耗，提高了EPS制品的質(zhì)量和產(chǎn)量。

圖5 隨意壓力跟蹤情況曲線圖Fig.5 Non-constant pressure curve tracking result

圖6 恒定量跟蹤情況曲線圖Fig.6 Constant pressure curve tracking result

6 結(jié) 語

采用機(jī)—電—液—?dú)鈩右惑w化單一比例調(diào)節(jié)閥控制結(jié)構(gòu)，通過智能控制策略，較好地實(shí)現(xiàn)了工藝曲線的跟蹤。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有功耗低、產(chǎn)品生產(chǎn)周期短、系統(tǒng)操控性好的特點(diǎn)，生產(chǎn)的EPS板材制品抗拉強(qiáng)度高、含水率低、保溫性好，具有較好的應(yīng)用前景。

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DevelopmentofcontrolsystemforEPSpanelmachinebasedonoptimumprocesscurvetracking

ZHANG Zhegen1, YUAN Jianhua2, FANG Zhiyong2

(1. School of Automation and Electrical Engineering, Zhejiang University of Science and Technology,Hangzhou 310023, China; 2.Fangyuan Plastics Machinery Co.,Ltd., Fuyang, Zhejiang 311404, China)

To the problems such as poor efficiency and energy wasting in expanded polystyrene formed plastics(EPS) panel machine, a control system with high efficiency and energy saving for EPS panel was developed. The process curve was optimized by adjusting the steam proportional valve with intelligent control strategy,which shortened the production cycle，improved efficiency and reduced energy consumption. The practical operation has achieved good results.The optimized process curve, the system architecture,the software architecture as well as the practical operation result were introduced.

EPS foamed plastics; EPS panel machine; expandable polystyrene; intelligent control

10.3969/j.issn.1671-8798.2013.05.007

2013-09-01

杭州市科學(xué)技術(shù)委會員科技指導(dǎo)員項(xiàng)目(20122131P15)

章浙根(1955— )，男，浙江省諸暨人，教授，碩士，主要從事控制系統(tǒng)集成研究。

TP273;TQ320.52

A

1671-8798(2013)05-0357-04