PET-G废料回收系统的自动控制

郭景宏，薛凯，张磊

(天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃 兰州 730060)

热收缩薄膜（PET-G）作为一种塑料薄膜，不仅具有环保性、耐化学性，而且其制品具有良好的性能，容易加工，可回收二次利用，主要用于医疗保健品、生物性包装等领域[1]。然而，PET-G废料碎料颗粒大小不一、质量不均，真空吸粉量不稳定，挤出机头压力波动范围大，这些问题不仅对真空上料机有较高要求，还需对计量称喂料量精确控制。本文主要介绍了软件设计、硬件构成特点，系统功能实现方法和控制技术的改进。

1 系统简介

PET-G热收缩膜废料回收新生产线主要设备有破碎机、上料系统、除尘分离系统和喂料系统，流程如图1所示。首先将废料二次破碎，通过真空上料机吸到二楼大料仓，经除尘金属分离后，计量喂料系统加料到挤出机，新系统融到老系统，废料与粒料混合生产，实现废料回收再利用。

图1 PET-G废料回收系统流程图

1.1 硬件构成

挤出机组控制部分硬件系统包括动力变频柜、元器件控制柜，现场包括料位计、压力传感器等，以及计量喂料系统。

现场诸多电机取故障信号、启停信号，实现系统的自动加手动多重启停方式；计算称喂料量，多次淘洗除尘及金属分离，以保证膜质量，实现对压力、系统自动运行的精准控制。笔者选用SIEMENS S7-1200，在Portal 16.1中进行组态，设备硬件组态画面如图2所示。主机CPU、工控机、计量称三者之间采用Profinet通讯，监控画面传到上位机WinCC RT Advanced显示。

图2 设备硬件组态图

挤出机控制系统设计采用PLC+HMI模式，实现转速、电流的采集、读取和显示，系统之间的联锁保护、故障报警提示，主机与喂料称之间的通信以及整套系统画面监控等功能。

1.2 软件设计

根据工艺要求，软件设计包括电机自动启停、料位联锁保护、故障报警提示，及主机与喂料称之间的通讯等过程。新系统控制总览如图3所示,可以在工控机屏读取数据，观察运行过程，并根据工艺要求进行PLC编程，使料位计控制电机启停喂料。大料仓设有三处料位计，分别是L位、HH位、H位。在L料位状态下，先启动输送风机，20 s后启动粉粹电机进行二次破碎，接着除尘器A启动，大料仓搅拌电机和喂料电机也随之启动。自动停止联锁恰好相反，大料仓料位达到H时，大料仓喂料机停止运行，二次粉碎机停止，接着延迟20 s输送风机停止，最后除尘器A停止。料位联锁保护是在大料仓HH料位，此时该仓喂料停止；如果输送风机故障报警，则大料仓喂料停止，随之二次粉碎机、主机喂料也停止。

图3 新系统控制总览图

图4 是在整个系统运行时，大料仓搅拌电机自动启停情况展示，可以看到通过料位高低控制大料仓搅拌电机启停，在联锁保护下，保证了各电机按工艺要求正常运行。废膜经过破碎机粉碎后，需要重新通过失重式计量秤加料到双螺杆挤出机，最后经过模头成型、拉膜，将废料回收利用得到新热塑膜。

图4 大料仓搅拌电机启停展示图

2 控制系统特点

PLC模块组成如图5所示。操作显示在工控机，CPU为SIMENSE S7-1200系列1215，其他数字量输入与输出在西门子网站上挑选目前最新模块。

图5 PLC模块组成图

整个系统程序由TIA Portal V16编程软件开发，S7-1200 PLC作为整个控制系统核心部分，通过自带I/O口和拓展DI、DO模块对料斗开关、电机远程启停以及变频器故障报警进行控制。模拟量输入EM231模块，对变频器参数进行反馈控制，EM232模拟输出模块调节电机转速。

3 机头压力控制

机头压力不稳定，会导致拉膜厚度不一、粗糙程度不同，本文采用手动加自动方法来控制机头压力。其中，保持螺杆转速和计量泵转速不变，随着压力的浮动调节喂料量，计量泵转速确定产量，手动粗略设定喂料量Sv，再通过自动微调稳定机头压力。手动喂料量由泵转速确定；喂料称喂料量=手动喂料量±自动喂料量Mv。整个控制是在闭环状态下完成，控制原理如图6所示。工控机上设定压力值，压力信息经通信线路传输到PLC，机头压力也由传感器读入PLC，两者比较后差值e经过PID计算用于调节喂料量。在整个开机过程中，传感器不断地把实时压力传送到PLC中进行数值比较，如果当前压力值高于或低于设定值，PLC就发出指令，调节喂料量以达到控制压力的目的，使机头压力维持在一个稳定范围内[2]。

图6 压力控制原理图

喂料称自动加料，PLC程序调用模块，通过模块在程序中编写喂料量程序，图7是称重模块程序。TIA Portal V16编程软件写入喂料量程序，使得计量称能够自动调节，保持压力稳定，即计算出压力变化控制量e，e与手动调速状态下稳定值相加，得到闭环转速值Pv，通过模拟量输出模块EM232输出4-20 mA信号，控制变频器从而实时调节主电机电流。

图7 称重模块程序

程序设计中通过模块输出控制变化量，由Profi net通讯方式直接写入计量称，设定每台称当前喂料量，老系统已有三台称，现又增加了一台，编程写入，使得整个系统每台称喂料量合理，每台称喂料量百分比设定，总和为100%。新系统喂料情况如图8所示，从图中可以看到实时参数，这台新喂料称设定是100 kg/h,料重量为28.78 kg,还可以观察到喂料螺杆转速和从开机到当前的累计喂料量。

图8 新计量秤喂料情况

4 应用效果

PET-G废料经过二次破碎后，碎膜蓬松、密度不均（0.1～0.3 g/cm3）、质量不恒定，因此喂料螺杆需要特殊制作，对于一定密度范围内的料，通过手动设定、自动调节、喂料称通讯，进行合理喂料，来稳定机头压力。整个开机过程中压力比较稳定，其值大致在2.3～2.8 MPa，压力浮动基本控制在0.5 MPa以内，达到指标要求，控制情况良好。

5 结束语

废料PET-G热收缩膜生产线回收控制系统工况复杂，对于真空吸粉、喂料有较为苛刻的要求，本次设计首先将废料二次破碎，产生颗粒大小不一、密度不均的蓬松料，真空吸粉到二楼大料仓，吸粉机螺杆特殊制作，从而将密度不一的颗粒顺利吸到大料仓，料位计控制搅拌电机启停，随之一系列联锁保护保证工艺要求，经过多次除尘，金属分离，PLC调用称重计量模块能够精确控制喂料量，保证压力平稳，系统运行稳定，最终使生产的热收缩膜厚度均匀、质量良好，满足客户要求。