基于西门子PLC的聚氨酯板材流水线控制系统

陈 荣,张永林

（江苏科技大学 江苏 镇江212003）

基于西门子PLC的聚氨酯板材流水线控制系统

陈 荣,张永林

（江苏科技大学 江苏 镇江212003）

结合某聚氨酯工业设备制造企业的实际需求，开发了一套基于西门子PLC的聚氨酯板材流水线控制系统，并设计了一种基于PROFIBUS-DP现场总线的集中控制方案。实践表明，该系统性能优异、自动化程度高，大大提升了生产线的生产效率，节约了生产成本。

聚氨酯；西门子PLC；PROFIBUS-DP现场总线；集中控制

随着建筑行业对节能环保等要求的不断提高，聚氨酯保温板材因为其低密度、高保温性能以及优越的防火环保性能而得到广泛的应用[1-2]。目前，在冷库、仓库和高级厂房等大型建筑屋面及内外墙的使用上已经取得了良好的效果，因而人们对聚氨酯板材的重视程度也越来越高。

当前生产聚氨酯板材主要有2种方式：非连续式生产和连续式生产。非连续式生产的设备成本较低，但是生产效率不高、产品的品质也较低，而且生产所需投入的人力物力较大，经济效益不佳。国内在开发聚氨酯连续式生产设备方面起步较晚，发展缓慢，设备自动化程度不高，尤其是中高端市场基本上由国外企业垄断。针对目前聚氨酯生产设备的发展状况，结合某聚氨酯工业设备制造企业新产品研发的实际需求，开发了一套基于西门子PLC的聚氨酯板材连续生产线自动化系统，实现了板材的连续性、自动化、高效率和节能环保生产。

1 控制系统原理

图1是一条完整聚氨酯连续生产线的工艺流程图，包括了开放卷机构、预加热平台、上料系统、高压发泡系统、移动浇注平台、温控系统、双履带层压机、板厚控制系统、定长切割系统和自动打包系统10个部分。此生产线的工作原理是：将温度合适的两种聚氨酯发泡原料按一定比例经高精度计量泵送入混合枪头后均匀浇注在保温板材的下面层，输送到具有适合发泡温度的双履带层压机进行发泡成型，由定长切断系统将发泡好的板材进行定长切割，最后将生产出来的板材进行自动打包运送至仓库。

图1 生产线工艺流程图Fig.1 Production line flow chart

1.1 开放卷机构

开放卷机构位于整条生产线的最前端，主要实现的是放卷生产板材所需的面层纸卷。本方案使用两台双放卷机构，每台双放卷可以放置一个面层的两个纸卷，即工作纸卷和备用纸卷。工作过程中，放卷机构控制放卷的张力并检测放卷是否即将结束。如果工作卷放卷结束，立即将备用卷自动转换到工作卷工位，并切换放卷面层，由备用卷及时替换工作卷，保证生产的连续性。

1.2 预加热平台

预加热平台用以初步控制进入层压机两个面层的温度，满足发泡温度要求。这里所采用的加热元件是多根电加热管，根据不同的温度要求以及现场的环境温度，控制电加热管通断的根数以达到控制温度目的。

1.3 上料系统

上料系统包括对预混罐和工作罐在内的两套料罐的控制。工作时，原料装入预混罐进行搅拌及温度控制，待原料满足生产要求后，输送至工作罐。料罐的温度控制通过控制循环冷却水来实现，维持料温在25℃左右。另一个需要控制的是料罐原料上料操作，预混罐主要是人工启动，而工作罐是通过液位高低信号进行自动上料。

1.4 高压发泡系统

高压发泡系统是整个设备的核心部件，发泡系统的好坏直接影响到产品质量的优劣。聚氨酯发泡涉及两种原料：聚醚多元醇和异氰酸酯，发泡机的控制主要是对两种原料流量进行控制，控制误差不得超过3%。为完成高精度的控制，需要实时监测流量状况并调节计量泵的转速以达到流量控制目的。

1.5 移动浇注平台

移动浇注平台的功能是控制布料枪头在给定的范围内来回布料，工作中需要根据现场情况实时调整布料行程。此控制需要对布料枪头行程进行精确控制，精度要求在1mm内，且布料枪头在换向过程中电机需要承受较大的换向扭矩。

1.6 温控系统、双履带层压机、板厚控制系统

从设备构成来看，此3部分系统构成层压机的完整控制系统。温控系统是对层压机的内部温度进行控制，产生一个适合聚氨酯反应的温度场。聚氨酯反应主要包括了3个阶段：前期熟化、中期固化成型和后期熟化。3个过程对反应的温度要求各不相同，所以将层压机分为3段独立控制，满足发泡温度需求。

双履带层压机的上下履带速度决定了走板的速度，根据生产要求，需对履带速度进行无级调节，速度范围在2-15m/min。双履带的间距决定了板材的厚度，一般可控范围在10-300 mm之间，控制精度在±0.5 mm之内。

1.7 定长切断系统

切割系统完成板材的定长切割任务。传感器检测板材的长度，达到设定的长度后，由切割机构将板材进行切断处理。

1.8 自动打包系统

自动打包系统将一定数量的板材进行码垛，由机械手将打包膜自动缠绕在板材外围，以供储藏和运输等操作。

2 系统控制方案

控制系统以集中控制为主，辅以现场工作站的本地控制，以减少生产过程中所需的人力物力，提高生产线的自动化程度，提升生产效率。图2是系统控制方案，现场中央控制室实现生产线的整体控制及监视。由专人看管的现场中央控制室工控机中运行的控制系统软件通过对PLC系统采集到的过程数据和各个工作站的反馈信息，以一定的算法和特定的流程对生产线进行控制。设立各个工作站是方便现场操作人员根据现场生产状况对设备进行实时调整，是中央控制室的补充控制。各个工作站无需专人负责，由现场生产人员进行就近看管，节省人力。

图2 系统控制方案Fig.2 System control program

2.1 开放卷工作站点

根据开放卷工作特点及要求，采用异步电机进行备用卷和工作卷之间的切换，光电开关进行纸卷剩余量的检测。纸卷放卷结束后，光电开关向控制器发送一个信号，由控制器启动异步电机将备用卷送至工作卷工位，转换为工作卷。

2.2 发泡机工作站点

发泡机工作站点，实现了原料上料控制，温度、流量控制和移动布料控制。上料系统分为远程操作和现场操作两种模式。远程操作模式为中央控制室操作，现场操作模式由现场工作人员通过现场工作站来操作。料罐设有液位上限和下限检测传感器，液位上限信号会停止正在进行的加料操作，并且只要此信号存在，则不可进行加料操作，避免液位过高。为了满足连续不断的生产需求，工作罐还设有自动控制模式，即当中央控制室接收到原料下限信号时，系统会自动启动加料程序从预混罐抽料送往工作罐；当料罐加满时，由液位上限信号停止加料操作。

原料温度控制采用循环冷却水，温度检测使用PT100热电阻，根据实时采集的原料温度，控制冷却水的流量进行闭环温度调节。原料流量控制使用变频器控制计量泵的转速实现，配合高精度流量计对流量进行准确检测，流量控制精度可达到±3%。移动布料采用伺服电机，定位精度可以到达1mm，并且伺服电机可以短时过载，能够承受移动布料头换向所产生的较大扭矩。中央控制器配有伺服电机控制专用模块，对电机操作简单，使用稳定，可靠性高。

2.3 层压机工作站点

层压机站点是一个具有独立控制能力的站点，通过现场总线与中央控制系统通信。层压机的温度场控制关系到发泡质量的好坏，对温度场控制要求严格。温度场分为三段，互相独立又互相影响，控制较为复杂。鉴于难以建立精确的数学模型，这里采用基于人工经验基础的模糊PID算法控制[3]。

层压机的上下履带由两台异步电机分别控制，速度通过变频器无级调节。变频器通过现场总线挂载在控制系统上，避开传统的模拟量控制，减少了现场接线，增加控制精度。双履带之间的距离即为板厚，控制精度要求达到±0.5 mm。本方案采用8台伺服电机同步控制，每台电机配备一个驱动器，由控制器统一控制驱动器运转。

2.4 定长切割、打包工作站点

此站点也是一个具有独立控制能力的站点，但同时也向控制系统发送消息并接受控制系统的命令。定长切割系统采用增量式旋转编码器进行长度检测，将长度转换为差分脉冲发送给控制器，测量误差在可控范围之内，精度可达±0.5mm。当测得的板长达到上位机设定值时，由控制站点启动切割程序切断板材。

打包是生产线上的最后一道工序，动力辊将码垛好的板材输送到打包设备，由光电开关检测板材的达到，启动打包程序。

3 生产线通信网络

图3为生产线通信网络图，系统采用PROFIBUS-DP现场总线通讯，不仅节省了现场的大量布线，而且运行稳定、工作可靠、易于维护，现场施工方便。

图3 生产线通信网络图Fig.3 Production line communication network

PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线标准之一[4]，由西门子公司自行开发。本系统中，使用西门子S7-300系列型号为313C-2DP的PLC作为DP主站，提供PFOFIBUS-DP通信服务，两个S7-200 PLC和多个MM440变频器作为DP从站挂载在DP总线上。工作中，DP主站采集各个DP从站的信息，并向各从站发送控制命令。系统中的两个S7-200 PLC作为智能从站，不仅接收主站的控制与主站进行交互，其自身也可以进行独立运算，减小主站的计算量。整个系统的数据均通过DP总线传输到控制中心，减小了工业现场复杂的电磁干扰对信号传输的影响，大大增加了系统的可靠性。

本方案上位机系统采用SIEMENS WinCC V6.2软件平台实现对现场数据可视化的监控及归档查询，与中央控制器PLC之间通过PROFIBUS总线方式进行通讯[5-6]，保证了大量数据通讯的安全、稳定、及时。

4 多条生产线集中控制方案

一个大型的生产企业一般不会只有一条生产线，对两条或者更多条生产线的监控在企业管理中也很重要。从集中控制的角度考虑，设计如图4所示控制系统。系统为一个多主站的PROFIBUS-DP通信系统。由于DP主站之间无法直接相互交换数据，所以需要一个DP从站设备作为中间环节来实现主站—主站间的通信连接[7]。DP/DP Coupler正是一种可以连接两个速率不同的DP网络的网关设备。

另外，工业控制现场存在较强的电磁干扰，而中央集控室一般离控制现场较远，故控制网络的通信介质采用多模铠装光纤，并在现场生产线的DP主站和 DP/DP Coupler的进网端添加西门子光纤链路模块OLM，使整个PROFIBUS光纤网络构成总线拓扑结构，以保证系统的可靠性。

远程中央集控室在整个系统中作为DP主站，可以读取各条生产线的生产信息、原料使用情况和报警信息等，将有意义的数据进行集中处理。此系统的一个明显的好处就是生产的集中调配。远程中央集控室的工作人员可以根据采集到的数据查看当前的生产进度，及时调整生产任务，并且可以在线实时调节各条生产线的生产配方等。

图4 多生产线通信方案Fig.4 Multi-line communication scheme

5 结束语

本控制方案已在某聚氨酯工业设备制造企业得到成功应用，其制造的某型号建筑外墙保温板材自动化生产线通过了江苏省首台（套）重大装备及关键部件认定。多家客户实际使用表明本系统运行稳定，放卷机构可自动切换纸卷，使用方便；发泡系统原料温度控制误差不超过1℃，流量控制误差在1%到3%之间，效果良好；移动枪头浇注均匀，产品发泡质量良好；层压机温度场控制满足要求，履带速度在可控范围之内自由调节，板厚控制方便快捷，生产出来的板材质量优越；切断和打包系统运行满足生产需求。

本系统的成功运用，提升了聚氨酯板生产材流水线自动化程度，提高了板材的质量，节省了人力、物力，给生产企业创造了更大的价值。

[1]翁汉元,朱长春,吕国会.中国聚氨酯工业现状和“十二五”发展规划建议[J].化学推进剂与高分子材料,2012(10): 1-10. WENG Han-yuan,ZHU Chang-chun,LV Guo-hui.China polyurethane industry status and"Twelfth Five Year Plan" proposal[J].Chemical Propellants&Polymeric Materials, 2012(10):1-10.

[2]朱俊.谈聚氨酯材料的发泡技术及市场前景[J].广东橡胶, 2013(4):8-13. ZHU Jun.Talk polyurethane foam technology and market prospects[J].Guangdong Rubber,2013(4):8-13.

[3]廖常初,祖正荣.西门子工业通信网络[M].北京:机械工业出版社,2009.

[4]王童谣,胡建易.模糊PID自整定算法在PLC中的实现[J].辽宁科技大学学报,2010(4):149-152. WANG Tong-yao,HU Jian-yi.Fuzzy self-tuning PID algori-thm implemented in the PLC [J].Liaoning University of Science and Technology,2010(4):149-152.

[5]方一鹏.DP/DP Coupler在多主站PROFIBUS-DP系统中的应用[J].中国水运,2007(5):157-159. FANG Yi-peng.The Application of DP/DP Coupler in Multi-Master Profibus-DP System[J].China Water Transport,2007 (5):157-159.

[6]王莉莉.基于PLC控制的气动搬运机械手系统设计[J].电子科技,2013(4):50-52. WANG Li-li.Design of pneumatic carrying manipulator system based on PLC control[J].Electronic Science and Technology,2013(4):50-52.

[7]John Hutchinson．The business and safety logic of programmable controllers[J]．Electric Technology,2004(4)：12-13.

Polyurethane sheet pipeline control system based on Siemens PLC

CHEN Rong,ZHANG Yong-lin
（Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003，China）

Combined with the actual needs of a polyurethane industrial equipment manufacturing enterprise,this paper develops a polyurethane sheet line control system based on Siemens PLC,and designs a centralized control scheme based on PROFIBUS-DP field bus.Practice shows that the system has an excellent performance and a high degree of automation, improving the efficiency of production line and reducing the cost of production.

Polyurethane;Siemens PLC;PROFIBUS-DP field bus;Centralized control

TN05

A

1674－6236（2015）07-0036-03

2014-07-17 稿件编号：201407138

陈 荣(1989—)，男，江苏南京人，硕士研究生。研究方向：先进控制理论及应用。