PLC在電磁感應(yīng)加熱造紙烘缸中的應(yīng)用

2 烘缸設(shè)計(jì)及PLC硬件
2．1 電磁烘缸的物理組構(gòu)
在系統(tǒng)生產(chǎn)的過程中，烘缸設(shè)備是需要一直轉(zhuǎn)動(dòng)的，如何將電感線圈與轉(zhuǎn)動(dòng)的烘缸設(shè)備組合在一起，既滿足線圈與烘缸設(shè)備之間傳遞能量的需要，又不影響烘缸的轉(zhuǎn)動(dòng)，生產(chǎn)過程中的引致等操作，在物理實(shí)現(xiàn)上還必須簡單實(shí)用，這種線圈與烘缸的組合方式稱為電磁烘缸的物理組構(gòu)。
造紙烘缸主要由烘缸體、烘缸罩、以及變頻電機(jī)和齒輪箱組成。與傳統(tǒng)的油熱烘缸和蒸汽烘缸不同，電磁烘缸體內(nèi)部不需要通入加熱介質(zhì)，不需要封閉，只需要三根輻條支撐在內(nèi)缸體表面即可。烘缸罩位于烘缸缸體的頂部，可以上下活動(dòng)。當(dāng)需要引紙時(shí)，通過控制箱上的按鈕可以將烘缸罩抬起，此時(shí)電磁烘缸停止加熱；當(dāng)引紙操作完成，正常操作時(shí)候，放下烘缸罩，感應(yīng)電路對(duì)烘缸加熱。烘缸罩的抬升與降落采用手動(dòng)方式，配置小型空氣壓縮機(jī)。利用上下行程開關(guān)，保證烘缸罩降落時(shí)與缸體表面有合適的間距。
2．2 造紙生產(chǎn)工藝流程
在造紙生產(chǎn)工藝流程中，紙漿過濾去水之后，形成薄薄的一層附著在傳動(dòng)帶上。這些潮濕的紙漿先被傳送到幾個(gè)烘箱中，經(jīng)初步的烘烤去掉一些水分。烘箱中自上而下吹入100℃以上的熱空氣，熱風(fēng)的溫度可以調(diào)節(jié)。潮濕的紙漿薄層在熱空氣中一部分水分揮發(fā)，水蒸氣隨熱風(fēng)吹走，達(dá)到預(yù)烘干的目的。潮濕的紙張從烘箱中出來以后，再到表面溫度1400℃左右的烘缸上烘烤，去掉剩余的大部分水分。烘缸表面的溫度需要根據(jù)不同的紙張厚度和紙張材質(zhì)，以及走紙的速度來上下調(diào)整。
本課題開發(fā)的造紙系統(tǒng)，在整個(gè)工藝流程中潮濕紙漿薄層成型后，附著在傳送帶上經(jīng)過了三個(gè)烘箱。三個(gè)烘箱設(shè)備結(jié)構(gòu)基本相同，采用的是電熱烘箱。每個(gè)烘箱上部裝有電熱板，通入電流后，電熱板發(fā)熱，從頂部吹入的冷風(fēng)被加熱成熱空氣，吹到傳送帶上對(duì)紙漿薄層進(jìn)行預(yù)干燥。使用標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流信號(hào)來控制流經(jīng)電熱板的加熱電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱功率的控制，調(diào)節(jié)烘箱內(nèi)的溫度。
散熱排濕及空氣循環(huán)系統(tǒng)部為冷空氣進(jìn)風(fēng)總管，由鼓風(fēng)機(jī)向其中吹氣?？偣芊譃槿齻€(gè)分管，經(jīng)過幾層電熱板進(jìn)入三個(gè)烘箱內(nèi)。在分管的入口處，各有一個(gè)插片式擋板，改變擋板的插入深度，可以改變進(jìn)風(fēng)量。
冷空氣被電熱板加熱后，熱風(fēng)對(duì)著潮濕紙張吹干去濕，與揮發(fā)的水蒸氣混合，熱風(fēng)濕度增大，溫度降低；三個(gè)烘箱內(nèi)的濕風(fēng)在烘箱底部經(jīng)排濕口排出。排濕入口處也各裝有一個(gè)插片式擋板，可以調(diào)節(jié)排出去的濕風(fēng)流量，調(diào)節(jié)烘箱內(nèi)的濕度。另外，在排濕口總管的出口處，安裝有抽風(fēng)機(jī)，吸出三個(gè)烘箱以及烘缸罩內(nèi)的潮濕空氣。經(jīng)過烘箱后的潮濕空氣，雖然溫度有一定降低，但是仍然有相當(dāng)部分的熱量，全部排出不再利用從節(jié)能的角度看有些浪費(fèi)。因此設(shè)計(jì)了潮濕熱風(fēng)的回流，在排濕總管上分出一部分重新進(jìn)入進(jìn)風(fēng)總管，從而有效地提高了能源的利用率?；亓鬟M(jìn)風(fēng)量的多少，也通過一個(gè)插片式擋板來調(diào)節(jié)。
電磁烘缸是最后一道造紙加熱工序，經(jīng)過預(yù)干燥之后的紙張，與高溫的烘缸表面接觸，除去剩余的水分，產(chǎn)生大量的水蒸氣。由于水蒸氣密度小于空氣，會(huì)上升被烘缸罩收集。烘缸罩頂部也留有一排濕口，并與排濕總管相連。在排濕口抽風(fēng)機(jī)的吸力下，順利排出室外。
2．3 PLC硬件
2．3．1 S7-200系列小型PLC系統(tǒng)
SIMATIC S7-200系列PLC是SIEMENS推出的面向微型及小型應(yīng)用的PLC系統(tǒng)。目前它已應(yīng)用于各行各業(yè)、各種場合的檢測、監(jiān)測及控制的自動(dòng)化。S7- 200系列秉承了SIEMENS PLC產(chǎn)品功能全面、質(zhì)量可靠、應(yīng)用靈活的特點(diǎn)，其強(qiáng)大的功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或者相互連成網(wǎng)絡(luò)時(shí)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。它外型小巧、安裝方便、具備多種擴(kuò)展模塊，且可以對(duì)CPU擴(kuò)展存儲(chǔ)器容量，能滿足絕大多數(shù)小型系統(tǒng)的控制要求，與同類PLC產(chǎn)品相比具有極高的性價(jià)比。S7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： a．極高的可靠性；b．極豐富的指令集；c．易于掌握；d．便捷的操作；e．豐富的內(nèi)置集成功能；f．實(shí)時(shí)特性；g．強(qiáng)勁的通訊能力；h．豐富的擴(kuò)展模塊。
S7-200系列產(chǎn)品可以提供5種不同性能的CPU模塊供客戶選用，以控制系統(tǒng)成本。它包括一系列的擴(kuò)展模塊，比如數(shù)字量輸入(DI)、數(shù)字量輸出 (DO)、模擬量輸入(AI)、模擬量輸出(AO)、熱電阻模塊(RTD)，以及以太網(wǎng)、調(diào)制解調(diào)器模塊、Prohibits-DP擴(kuò)展模塊等等一系列功能強(qiáng)大的模塊，可以方便地與各種現(xiàn)場儀表配合使用，采集現(xiàn)場的各種信號(hào)并控制各種設(shè)備的運(yùn)行。
S7-200系列產(chǎn)品還提供有小型的人機(jī)接口(HMI)設(shè)備-TD200文本顯示(Text Display)裝置，可以方便地設(shè)置系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)，實(shí)時(shí)地顯示關(guān)鍵變量值，并且組態(tài)簡單、方便好用、價(jià)格便宜，省去了專門的IPC設(shè)備及上位機(jī)監(jiān)控軟件，節(jié)省了系統(tǒng)成本。用TD200作為本系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，完全可以滿足生產(chǎn)過程對(duì)參數(shù)改變的要求。另外，SIEMENS提供的專門針對(duì)S7-200系列PLC編程的Micro／Win step7軟件，支持梯形圖等3種PLC編程方式，好學(xué)易用；并且集成了PID算法模塊、數(shù)字濾波算法模塊等常用的功能，供編程人員調(diào)用，極大地提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)時(shí)間，節(jié)省了系統(tǒng)開發(fā)成本。
2．3．2 PLC外圍擴(kuò)展模塊
在PLC程序中，主要是要實(shí)現(xiàn)對(duì)五套回路的控制：三套電烘箱的功率控制回路，以及兩個(gè)電磁感應(yīng)烘缸線圈的功率控制。三個(gè)烘箱的溫度檢測采用PT100鉑熱電阻，用三線制接法直接接入溫度檢測(RTD)擴(kuò)展模塊；電磁烘缸的溫度檢測不能使用鉑熱電阻，而是采用紅外測溫儀，紅外測溫探頭直接將檢測到的溫度轉(zhuǎn)化為0～5V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，通入模擬量輸入模塊(AI)，占用一個(gè)AI通道。兩個(gè)電磁感應(yīng)烘缸線圈回路使用同一個(gè)烘缸溫度信號(hào)即可。五個(gè)內(nèi)環(huán)電流檢測，使用互感線圈將0～50A的電流信號(hào)，轉(zhuǎn)化為0～5V的電壓信號(hào)，輸入AI模塊，占用5個(gè)AI通道。
另外需要控制的是烘缸的轉(zhuǎn)速。烘缸由一個(gè)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過齒輪箱減速，使烘缸按不同速度轉(zhuǎn)動(dòng)。通過輸出一個(gè)4～20mA的控制電流給控制柜中的變頻器，從而調(diào)整整個(gè)系統(tǒng)的走紙速度，變頻器的輸出占用一個(gè)AO點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)以上模擬量需求，共需要：
(1)RTD輸入點(diǎn)數(shù)：3
(2)模擬量輸入點(diǎn)數(shù)：6
(3)模擬量輸出點(diǎn)數(shù)：6
另外需要控制比如吹風(fēng)、去濕電機(jī)的起停，烘缸罩的升降等數(shù)字量信號(hào)，在CPU226XM上帶有24位的數(shù)字量輸入、16位的數(shù)字量輸出通道，已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)中數(shù)字量的輸入輸出，不需要另外選擇數(shù)字量擴(kuò)展模塊。
綜上所述，最后選擇的S7-200系列PLC硬件模塊如下：
(1)CPU控制器：CPU226XM;
(2)溫度檢測模塊：EM231，2塊；
(3)模擬量輸入模塊：EM231，2塊；
(4)模擬量輸出模塊：：EM232，2塊；
(5)電源(24V直流穩(wěn)壓源，5A)，1塊。