熔噴模頭溫度及壓力控制系統(tǒng)設(shè)計
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摘要：熔噴模頭是熔噴布的主要生產(chǎn)設(shè)備，由于生產(chǎn)工藝的特殊性，對溫度和壓力的要求比較嚴(yán)格。為了保證熔噴模頭的穩(wěn)定可靠運行，文章介紹了模頭工作原理，設(shè)計了一套基于可編程控制器PLC的熔噴模頭溫度和壓力控制系統(tǒng)，以PLC為控制中心構(gòu)建系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，并增加了觸摸屏設(shè)計。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對模頭溫度和壓力的精確控制，保證整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的可靠運行。
關(guān)鍵詞：熔噴模頭；可編程控制器；控制
引言
在企業(yè)生產(chǎn)中，采用熔噴法生成的PP（聚丙烯）熔噴布是各類防護(hù)措施的關(guān)鍵原料，隨著國家的大力投入，盡管產(chǎn)量已經(jīng)翻了幾番，但在全國數(shù)以億計的人民需求面前，供應(yīng)能力仍顯得捉襟見肘。PP熔噴布是以聚丙烯為原料，采用熔噴模頭借助高速熱氣流的噴吹下形成超細(xì)纖維，并在氣流作用下自身黏合形成的非紡織材料。由于工藝的特殊性，生產(chǎn)過程中對溫度和壓力的要求比較嚴(yán)格。為了保證熔噴模頭的穩(wěn)定可靠運行，設(shè)計了一套基于可編程控制器PLC的熔噴模頭溫度和壓力控制系統(tǒng)，以PLC為控制中心構(gòu)建系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，并增加了觸摸屏設(shè)計。本文的研究成果可以為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)熔噴布提供依據(jù)，對預(yù)防呼吸傳染性疾病具有非常重要的意義[1]。
1熔噴模頭工作機(jī)理分析
螺桿擠出機(jī)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，通過加熱升高到指定溫度，PP聚丙烯顆粒被高溫融化成液態(tài)。溶體經(jīng)過計量泵定量及加壓后流入熔噴模頭內(nèi)，隨后從模頭微孔壓出，借助高速熱氣流的噴吹下形成超細(xì)纖維。在整個環(huán)節(jié)中，測定熔體壓力的傳感器安裝在連接模頭的法蘭處，把采集的數(shù)據(jù)傳給PLC，PLC通過加裝的擴(kuò)展模塊實現(xiàn)模擬量的輸出，以4～20mA電流來控制變頻器，達(dá)到調(diào)節(jié)計量泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，從而調(diào)節(jié)內(nèi)部溶體的壓力。溫度傳感器安裝在熔噴模頭上，把采集到的溫度數(shù)據(jù)傳給PLC，由PLC處理后輸出，從而實現(xiàn)模頭溫度的閉環(huán)自動反饋控制[2]。
2控制系統(tǒng)總體設(shè)計
2.1控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
熔噴模頭溫度和壓力控制系統(tǒng)的構(gòu)建是至關(guān)重要的，控制系統(tǒng)中硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理對后期軟件的編寫具有很大的影響。根據(jù)設(shè)計要求，圖1為該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。該控制系統(tǒng)主要以西門子S7-300PLC為核心，將其作為下位機(jī)控制，主要實現(xiàn)溫度和壓力數(shù)據(jù)的采集以及各類外部設(shè)備的控制。本系統(tǒng)中上位機(jī)采用的是一體化觸摸屏控制，型號為BT1936CX。通過RS485/RS232數(shù)據(jù)線實現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)之間的交流[3]。本文設(shè)計控制系統(tǒng)工作時，首先PLC通過溫度和壓力傳感器采集到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，內(nèi)部處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理的數(shù)據(jù)反應(yīng)到觸摸屏上顯示。隨后PLC對比設(shè)置的控制參數(shù)，檢查數(shù)據(jù)是否在范圍內(nèi)，如果超出或者低于指定的數(shù)值，采用PID算法計算出控制量，PLC輸出控制外部的變頻器、加熱器及其他輔助設(shè)備，將溫度和壓力的數(shù)值調(diào)整到允許范圍內(nèi)，這樣就可以對整個熔噴模頭溫度和壓力數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行實時監(jiān)控[4]。
2.2系統(tǒng)硬件的選取
1）西門子PLC。本文使用西門子公司生產(chǎn)的S7-300PLC作為控制設(shè)備。2）溫度傳感器。本系統(tǒng)采用K型壓簧式熱電偶，其輸出電流為4～20mA，測量溫度范圍在0～800℃，滿足使用要求。3）壓力傳感器。本系統(tǒng)采用MIK-P300G壓力傳感器，其輸出電流為4～20mA，測量溫度范圍在-20～300℃，壓力范圍在0～1MPa滿足使用要求。4）觸摸屏。本文采用BT1936CX一體化觸摸屏，與下位機(jī)PLC實現(xiàn)通信，可實現(xiàn)熔噴模頭內(nèi)部參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)的曲線展示以及故障信息的體現(xiàn)，能夠?qū)崟r顯示熔噴模頭的各類運行情況。
3控制流程圖設(shè)計
控制流程圖是整個控制系統(tǒng)的核心元素，按照實際的生產(chǎn)流程，本文通過PLC梯形圖程序來實現(xiàn)控制系統(tǒng)中各類數(shù)字和模擬量的輸入輸出，圖2為其設(shè)計的程序流程圖。
4結(jié)語
隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，有效的預(yù)防手段已成為人們關(guān)注的焦點，所以提高熔噴布質(zhì)量是有意義的。然而對模頭溫度和內(nèi)部壓力控制的好壞決定了產(chǎn)品的質(zhì)量，因此設(shè)計溫度和壓力控制系統(tǒng)是具有經(jīng)濟(jì)意義的。本文以熔噴模頭為研究對象，結(jié)合PLC、觸摸屏等對溫度和壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計研究，主要包括PLC軟件設(shè)計、硬件的選取。本研究還存在一定的缺陷，下一步需要在實際應(yīng)用中來檢驗，進(jìn)一步完善該控制系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)
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[2]馮潤根.雙螺桿擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].塑料科技，2019，47（6）：78-81.
[3]孫培君.基于單片機(jī)的溫濕度測控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（1）：256-257.
[4]劉奎魯.擠出機(jī)熔體溫度與壓力的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及試驗研究[D].江門：五邑大學(xué)，2017.
作者：劉金南 程壽國 王益輝 單位：江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系