企业简介

工业自动化与驱动技术集团(IA&DT)是西门子股份公司中最大的集团之一，是西门子工业领域的重要组成部分。IA&DT是西门子在华业务的支柱，在制造自动化、过程自动化及楼宇电气安装领域提供创新、可信赖和高质量的产品、系统、应用和服务。我们致力于服务中国市场和客户，并且有信心通过我们最大的努力为客户提供最好的服务。

  • 公司类型：供应商

联系方式
案例详细
标题西门子PLC在挤出造粒机组中的应用
技术领域PLC&PAC
行业化工
简介
内容

   高玉坤（1975-）

    男，吉林省吉林市人，1998年毕业于吉林化工学院工业自动化专业，现工作于中国石油吉林石化分公司乙烯厂仪表车间，工程师，从事化工装置控制系统的运行维护管理工作。

    摘要：文中以吉林石化公司高密度聚乙烯装置60吨/小时挤出造粒机组为例，详细介绍了西门子S7-400H/F PLC在大型机组控制中的应用实例，充分展现了PLC系统对成套机组控制的优越性。

    关键词：PLC；挤出造粒机组；控制；逻辑

    Abstract: The extruder ,which output is sixty tons in an hour and serves High Density Polyethylene Plant of Jilin Petrochemical Company,is taken an example in the paper.According to the example，we will be familiar with Siemens S7-400H/F PLC in controlling the large–scale rotary equipments, and at the same time the superority of the PLC application to extruder is fully shown.
    Key words: Programmable logic controller; extruder; control; logic

    吉林石化公司30万吨/年高密度聚乙烯装置挤出造粒机组于2005年7月成套从德国WP公司引进，机组型号为WP350，最大生产能力为60吨/小时，自投产后一直稳定运行。机组采用了西门子S7-400H/F的PLC作为主控制器，以基于WINDOWS2000系统平台开发的WINCC程序作为人机界面；采用了工业以太网作为通讯方式，使各种控制方案得以有效实现，从而保证了机组的安全稳定运行。

    1 机组构成简介

    整个机组由四部分构成：混炼机、熔融泵、切粒机和辅助系统。

    1.1 混炼机

    混炼机的功能是对聚乙烯树脂及少量辅助添加剂进行熔融混炼。主要由主驱动电机、离合器、减速箱、筒体等四部分组成。主电机额定输出为 10975kW，3100V变频电机，为筒体内的双螺杆的旋转提供动力。离合器又叫气动离合器，它的作用是连接主电机和减速箱，使主电机的动力通过减速箱变速，速度降低为原来的七分之一，然后再传输到双螺杆混合器。离合器的另一个作用是保护筒体内的双螺杆混合器，防止其过载，当双螺杆混合器过载时，位于离合器上的压力开关会动作，使离合器脱开，此时主电机的动力不再经减速箱向双螺杆混合器传递，防止了螺杆的损坏，从而实现了保护的目的。树脂在筒体内熔融完成混炼的全过程。

    1.2 熔融泵

    熔融泵的主要作用是对熔融后的物料进行升压，包括截流阀、开车阀、换网器组等附件。通过控制截流阀的开度可以调节单位时间内到达熔融泵入口物料的流量，使熔融泵的入口压力得到调节。开车阀有“直通”和“旁通”两种作用。直通时物料通过熔融泵到达模板后挤出造粒，旁通时物料直排地面，一般在开工车时使用旁通。泵体的作用主要是升压，物料通过升压后，压力达到原来的四到五倍。升压后的物料经过换网器过滤（滤掉物料中的杂质）后到达模板，并通过模板挤出后到达水下切粒机。

    1.3 切粒机

    切粒机的作用是把经过模板挤压后的树脂切成需要形状的粒子，由颗粒水系统输送到干燥系统。切粒机主要由带动切刀旋转的电机、控制造粒小车移动的液压单元和控制切刀和模板之间距离液压单元等三部分组成。通过调整电机的转速可以控制粒子的形状，达到指标的要求。

    1.4 辅助系统

    辅助系统由水系统和油系统两部分组成。

    1.4.1 水系统

    水系统包括冷却水系统和颗粒水系统。冷却水系统的作用是冷却筒体内物料的温度，使其保持恒定值，冷却方式是通过循环冷却水带走熔融物料产生的热量，从而控制了筒体内熔融物料的温度；颗粒水系统的作用是对高温粒子迅速降温使粒子定形，并将产生的粒子输送到干燥器。在干燥器中粒子在离心力的作用下和水进行分离，分离后的粒子由气体输送系统送到料仓。分离后的水进行回收后进入颗粒水箱后循环再利用。

    1.4.2 油系统

    油系统按功能可分为三部分：一是润滑油系统，包括熔融泵轴承润滑油系统、主电机轴承润滑油系统、主电机减速箱润滑油系统和熔融泵减速箱润滑油系统等；二是热油系统，其作用是对设备进行温度控制，包括熔融泵轴、轴承热油系统和模板热油系统；三是液压油系统，为液压设备提供动力，如：开车阀、换网器和合车系统等。

    2 系统结构描述

    由于高密度聚乙烯装置连续性生产，负荷不能进行频繁的调整，装置的中间物料存储能力相对较小，造粒机组的连续稳定运行是非常重要的。西门子S7 414-4H系列控制器采用冗余的结构设计，能最大程度的避免由于控制系统故障而引起的机组停机，从而减少了装置的生产波动，提高了经济效益。

    2.1 控制系统的网络结构

    两个冗余的414-4H控制器通过CP443-1通讯处理器连接到以太网交换机上，作为以太网上的一个节点。和上位机通过以太网络实现了数据交换。以太网采用光纤作为传输介质，传输速率为100Mbit/s。同时PLC通过通讯卡（CP341-1）实现和DCS系统（YOKOGAWA CS3000）之间的数据交换（见图1），通讯协议采用RS485串行数据通讯协议。

               

                         图1 控制系统网络结构图

    2.2 控制器的构成

    414-4H控制器单元主要由以下几部分构成：CPU、电源、通讯卡、底板、I/O模块等。CPU作为整个控制器的核心，其作用相当于人的大脑，起到发送和接收指令的作用。处理器上有两个通讯接口， MPI接口和PROFIBUS的DP接口。MPI接口支持MPI协议，用来和上位机进行通讯，实现编程、组态功能。PROFIBUS的DP接口支持PROFIBUS DP协议，实现CPU和I/O模件进行通讯，这两个接口的通讯速率最大均可达到12M bit/s。电源采用PS407 10A电源模块，对主机架进行供电。按照I/O模块应用的不同，常规控制采用通用形I/O卡件，对于重要的安全回路采用故障安全型卡件，可以自动识别回路中出现的短路、接地等情况，并会做出相应的动作保护卡件、现场设备及人身的安全。

    3 典型控制功能介绍

    高密挤出造粒机组的控制比较复杂，包括PID调节控制、逻辑控制和顺序控制等，这些条件的判断和执行均通过自动程序来实现，对控制器的要求较高，414-4H控制器能够有效的实现这些控制功能，下面对控制设备实现的一些控制功能进行简单的介绍。

    3.1 主电机控制方案

    3.1.1 主电机转速控制

    主电机的转速控制主要由MCC的变频调速器来实现。当在启动命令下达后,操作员在人机界面上对目标速度进行设定（速度的设定范围在0-1803/rpjm之间），通过人为干预来确定造粒机组的负荷。设定值经过处理后输出4-20mA电流信号到变频调速器控制柜，变频器根据速度的设定值和电机实际转速的偏差进行调节，整个过程是一个开环的控制模式。变频器会根据电流值计算出主电机的扭矩 “TORQUE MAIN DRIVE”，代表电机的运行负荷。扭矩的范围在0-83737Nm，经过计算后显示在人机界面上供操作人员进行负荷调整的参考。 

    3.1.2 主电机启停逻辑控制

    将参与主电机运行的联锁按照来源分为四类，如图2所示。

                  

                         图2 主电机联锁运行逻辑功能图

    来自于熔融泵系统的条件，这些条件能够判断熔融泵的运行状态是否正常。油泵要保证正常运转、润滑油压力不能过低、要保证一定的温度值，不能过高或过低，这些条件是保证熔融泵安全运行的前提条件。而主电机连续运转的前提条件是要保证熔融泵的运转。任何一个条件不满足，都会导致主电机立即停运。

    来自于主电机本体的联锁条件，这些联锁条件用来判断主电机的运行状态。主电机离合器正常关闭信号，这个信号由单独的离合器控制器（S7-200PLC）发出，参与主电机联锁运行逻辑。主电机轴承润滑油系统的正常，润滑油A泵或者B泵要有一个在运转，且润滑油的流量不能过低，保证轴承的良好润滑。主电机的扭矩正常信号包括两种情况，一种是主电机运行5秒钟后扭矩不能大于105%，另外一种情况是主电机所在的仪表回路正常，没有出现断路、卡件通道损坏等情况。为了保证主电机的安全运行，在主电机房内设置了两台换热风扇，用来控制电机室内的环境温度。当风扇的启动信号发出后程序中计数器开始计数，计数完毕后如果还没有收到风扇的运行反馈信号则认为风扇出现运行反馈故障，且不能出现电气故障反馈信号。只有这些条件都满足才能保证主电机的安全运行。

    来自于过程工艺的联锁条件，这些条件用来判断机组内物料的经过路径是否畅通，正常开车时，有任何地方出现阻塞，都就会导致该处压力超限，机组会通过联锁立即停车。开车阀的入口压力高限联锁设定值为30MPa；熔融泵入口压力，熔融泵出口压力，物料到达模板后的压力进行检测的，其高限联锁设定值分别为7MPa、26.5MPa、20MPa，当熔融泵运行2分钟后，如果还存在压力低于5公斤的情况，但只要持续的时间不大于5秒钟则熔融泵能正常运行，反之联锁被触发，主电机停止运行。

    开车阀、换网器、颗粒水阀挡板必须保证位置正确，这是保证物料畅通的前提条件。判断开车阀故障要如下两种情况：当开车阀的动作命令发出8秒种后，两个位置回讯都为“OFF”，或都为“ON”，这说明开车阀既没指向模板方向，也没有不指向对地方向，说明了开车阀所处的位置是错误的。同理如果程序发出命令使换网器动作后，5秒内驱动换网器动作的气缸没有动作到位，则逻辑认为换网器动作故障。当机组正常运行时，切粒机在水下切粒，并通过颗粒水进行输送，颗粒水阀挡板必须保证动作位置正常，才能保证物料不外泄，这些条件都是保证主电机连续运转的前提条件。为了保证机组在异常状况下的安全，在机组的5个不同的危险部位均设置了紧急停车按钮，如果有一个按钮被按下，主机都会立即停止运行。

    3.2 熔融泵启停控制方案

    3.2.1 熔融泵联锁运行控制方案

    如图3所示，条件1~条件5分别代表了熔融泵正常运转时和试车时两种工作状态，保证相关设备的正常运转，设备的良好连接，输送介质的工艺参数正常。熔融泵的驱动侧、非驱动侧均需要良好的润滑，才能保证轴承不被磨损，判断轴承是否磨损的条件是预先埋入轴承中的热电阻进行测量，轴承最低温度是200℃，高于330℃就认为轴承出现磨损情况，熔融泵会立即停止运行。条件14为熔融泵离合器使能信号，只有其满足才能维持熔融泵正常运转。由三个部分构成，第一部分是对熔融泵电机扭矩的检测，如果扭矩高高则使能信号不满足，熔融泵联锁停止运行。第二部分是对熔融泵减速箱润滑油压力进行检测，如果两个压力变送器中的任何一个低于70KPa，则使能信号不满 足，熔融泵联锁停止运行。第三部分是对由离合器控制器（单独的小型PLCS7-200系统，检测离合器的两侧是否存在转速差，如果存在的差值超过5rpm，则认为离合器存在故障）发出的无故障信号到达S7-400控制器进行检测，如果检测到有故障存在则使能信号不满足，熔融泵联锁停止运行。当熔融泵运行两分钟后，如果入口压力还低于0.5MPa，五秒钟后，熔融泵会停止运行。熔融泵电机的线圈温度和轴承温度联锁的设置都是从保护电机的角度出发的。人机界面上的软旁路开关，起到旁路熔融泵的作用。 

    3.2.2 熔融泵入口压力控制方案

               

                  图3 熔融泵联锁运行逻辑功能图

    熔融泵的入口压力是挤出机控制过程中的一个重要的参数，它和产品的质量密切相关，压力的大小和熔融泵的转速构成闭环调节回路。入口压力的控制分为自动和手动两种模式。在熔融泵开始运行的前10秒钟内必须进行手动控制，由操作人员在人机界面上进行设定。并输出到MCC变频调速器控制熔融泵电机转速，从而控制熔融泵入口压力。当熔融泵入口压力进入自动控制时，通过PLC计算后的入口的实际压力值和设定值的偏差信号会输出到MCC，达到调节熔融泵电机转速的目的。不同牌号的树脂产品对熔融泵入口压力的要求也是不同的。

    3.3 切粒机顺控方案

    3.3.1 合车控制

    根据逻辑说明所示，转动钥匙使能开关，并按下合车按钮后，程序开始执行，整个程序共分八个步骤进行：

    第一步：蜂鸣器响。按下合车按钮后，蜂鸣器响，蜂鸣器响后5秒钟第一步结束。

    第二步：排水阀关闭，检测到关回讯到位后第二步程序结束。

    第三步：启动液压油泵，检测到泵的运行反馈信号后第三步程序结束。

    第四步：小车前进。程序开始执行时先对三个基本条件进行检测，第一个条件是检测安全使能状态是否为ON；第二个条件是检测安全程序发出的使能移动信号是否为ON；第三个条件是检测切粒小车上四个气缸阀是否都处于打开状态，且开回讯到位。检测到三个条件都满足2秒钟后小车开始进入快速移动状态，在小车移动过程中当检测到减速位置回讯后，小车开始进入慢速移动状态，和模板对接并检测到小车到位回讯后2秒钟逻辑对小车的移动命令（使能命令、快速移动命令、慢速移动命令）进行复位，移动过程结束。

    第五步：关闭蜂鸣器。在程序开始执行时同样要对安全使能状态是否为ON进行检测，如果条件满足则2秒钟后关闭蜂鸣器，本步程序结束。

    第六步：气缸锁紧。在程序开始执行时要对安全使能状态及小车到位回讯进行检测，如果条件满足则5秒后气缸锁紧电磁阀带电，气缸被锁定，锁定完毕且气缸上的回讯状态正常后电磁阀失电，锁定过程结束。

    第七步：关闭液压驱动。如果安全使能状态正常则2秒后关闭驱动液压油泵，泵运行反馈信号消失后关闭程序结束。

    第八步：切刀液压单元启动。如果安全使能状态正常则2秒后启动切刀液压油泵，接收到泵的运行反馈信号后启动泵运行程序结束。

    3.3.2 分车控制

    整个分车逻辑也分为八个步骤进行。

    第一步：蜂鸣器响。按下合车按钮后，蜂鸣器响，蜂鸣器响后5秒钟第一步结束。

    第二步：排水阀关闭。阀关闭并检测到关回讯到位后第二步程序结束。

    第三步：启动液压油泵。液压油泵启动，当检测到泵的运行反馈信号后第三步程序结束。

    第四步：小车前进。程序开始执行时先对三个基本条件进行检测，第一个条件是检测安全使能状态是否为1（具体要看操作画面上的黄色条纹状图案是否还存在）；第二个条件是检测安全程序发出的使能移动信号是否为1；第三个条件是检测造粒小车上四个气缸阀是否都处于打开状态，且开回讯都到位。检测到三个条件都满足，则2秒钟后小车开始进入快速移动状态，在小车移动过程中当检测到减速位置回讯后小车开始进入慢速移动状态，和模板对接并检测到小车到位回讯后2秒钟逻辑对小车的移动命令（使能命令、快速移动命令、慢速移动命令）进行复位，移动过程结束。

    第五步：关闭蜂鸣器。在程序开始执行时同样要对安全使能状态是否为1进行检测，如果条件满足则2秒钟后关闭蜂鸣器，本步程序结束。

    第六步：气缸锁紧。在程序开始执行时要对安全使能状态及小车到位回讯进行检测，如果条件满足则5秒后气缸锁紧电磁阀带电，气缸被锁定，锁定完毕并且气缸上的回讯状态正常后电磁阀失电，锁定过程结束。

    第七步：关闭液压驱动。如果安全使能状态正常则2秒后关闭驱动液压油泵，泵运行反馈信号消失后关闭程序结束。

    第八步：切刀液压单元启动。如果安全使能状态正常则2秒后启动切刀液压油泵，接收到泵的运行反馈信号后启动泵运行程序结束。

    在第四步程序中，如果在30秒钟内不能完成上述过程，则逻辑认为程序执行失败，小车合车程序被自动终止。

    3.4 辅助系统调节控制方案

    在辅助的油系统和水系统中，典型的控制当属熔融泵轴承热油系统了。熔融泵轴承热油系统控制可分为两部分，第一部分是热油流量控制，第二部分为热油温度控制，下面分别简述这两部分的控制过程。

    3.4.1 熔融泵轴承热油流量控制

               

                    图4 熔融泵轴承热油流量控制原理方框图

    让熔融泵轴承热油主要对熔融泵的轴承温度进行控制。正常生产时控制轴承的温度不能过高，否则会对设备造成损坏。熔融泵轴承由驱动侧和非驱动侧两部分组成。每一侧又分为上下两片轴承瓦，每个轴承瓦都有各自的测温点（TET50585A/B，TET50586A/B）。控制方案图如图4所示，采用流量控制器和温度控制器实现串级PID调节，通过对熔融泵轴承四部分温度的高选比较得出最大值送到TIC50647作为PV（过程）值， TIC50647的SP（设定）值由操作人员以流量（流量的量程在0-4.5m3/h）百分数的形式给出，经过主调节器的内部计算后MV（调节器输出）值作为两个副调节器FIC50642A/B的SP（设定）值，FIC50642A/B将设定值和各自的PV值FT50642A/B相比较，做内部计算后分别输出控制调节阀FV50642A/B，使轴承热油流量得到控制，最终间接达到控制轴承温度的目的。

    3.4.2 熔融泵轴承热油温度控制

    熔融泵轴承热油温度控制是通过对油加热器和调温水三通阀门的分程控制来实现。当油温较低时（尤其机组在处于长时间停工后），需要对热油进行加热，增加油加热器的输出功率；当油温度较高时，通过增加三通阀门直通开度，增加油冷器的换热量，达到降温的目的。如图5所示，采用两级温度调节器实现串级PID调节。其中主调节器TIC50648的PV值来自温度高选器，作为副调节器TIC50642的SP值，TIC50642计算后输出控制三通阀TV50642和电加热器ISL50642，从而通过控制热油温度达到控制轴承温度的目的。

                    

                               图5 熔融泵轴承热油温度控制方框图

    4 结束语

    通过以上造粒机组一些典型控制应用实例的介绍，可以体会到西门子S7-400H/F系列PLC能够实现各种复杂控制功能，控制精确，提高了机组的整体性能；通过关键部位故障安全型I/O模块的选用和联锁功能的实现，能够更安全的保证设备的安全。真正体现了西门子S7-400H/F系列PLC对于大型造粒机组控制的强大优势。 


                                     源自《自动化博览》