变频调速及PLC技术在生产高吸水性树脂(SAP)中的运用

变频调速及PLC技术在生产高吸水性树脂（SAP）中的运用郑秀莲王海伦（浙江工业大学浙西分校信电系浙江衢州324000）摘要：针对目前国内高吸水树脂（SAP）生产技术的现状，本文介绍了一种由可编程控制器（PLC）及变频器控制组成的控制系统，对生产过程中一些重要环节的速度进行精确控制，对投放物料的过程用PLC进行控制，并给出部分软件图，使产品的吸水性、保水性、耐压强度达到预期的效果，实验表明在节约生产成本的同时还使产品的性能得到很大提升，其结果是可行的。关键词：变频器；ProgrammableLogicControllers(PLC)；SuperAbsorbentPolymer(SAP)；化工；应用FrequencyTechnologyintheProductionofSAPApplicationsZHENGXiu-lian(DepartmentofInformationandElectronicalEngineering,WestBranchofZhejiangUniversityofTechnology,Quzhou324000)Abstract:AimingatProductionflowofSuperAbsorbentPolymerInthedomestic,InthisarticleIntroduceaControlSystemwhichisbasedonProgrammableLogicControllerandConverter,TheproductionprocessofsomeimportantaspectofspeedPrecisecontrol，TheprocessofdeliveryofmaterialsiscontrolledbyPLC,Andgivepartofthesoftwarechart，Sothattheproductwaterabsorbency,water-holdingcapacity,strengthtoachievetheexpectedresults，Experimentsshowthattheproductioncostsavingsatthesametimealsomakesagreatperformanceupgrade，Theresultisfeasible.Keywords:Converter;ProgrammableLogicControllers（PLC）；SuperAbsorbentPolymer(SAP)；Chemical；Application0前言高吸水性树脂（英文简称：SAP）是我国近年来发展迅猛的功能型吸水材料，用途十分广泛，（1）民用方面：尿垫、卫生巾；（2）军用及通讯方面：光缆、电缆、阻水油膏；（3）农用方面：农林园艺、沙漠绿化；（4）另外还有医药、医疗、石油、化工、环保、生化、食品等领域。该产业是一种朝阳产业。我们国内很多企业一直都依赖国外进口产品。浙江威龙高分子材料有限公司近几年也致力于该产品的研发，由于SAP在生产过程中其调配料的比例问题很难精确控制，以及物料在搅拌的过程中搅拌速度的控制严重影响着产品的各项性能指标。所以如何控制电机的速度问题对该公司显得尤为关键，使用变频调速可以很好地解决上述问题。1变频器在高吸水树脂（SAP）生产过程中的应用1.1SAP生产过程应用变频器的必要性在高吸水树脂生产过程中，很多参数如流量、压力、液面等随实时情况而不断发生变化，如此电力消耗非常巨大。在高吸水树脂生产过程中，90%左右的电力消耗在交流电机上，电动机拖动的负载类型主要有：恒转矩，恒功率、泵与风机类。在SAP的生产过程中泵类与风机类负载占大多数，所谓泵类负载就是负载的转矩与转速的平方成正比的一类负载性质。其负载特性如图1所示[1][2]，其中n表示电机转速，TL表示负载。nTL泵与风机类负载特性：在SAP的生产过程中交流电机拖动的负载多数是泵类、风机类负载，这类负载其节能潜力非常大。采用变频器进行控制，由它给电机供电具有安装方便、控制灵活实现变频调速，可平滑、大范围地改变电机的速度从而实现无极变速。另外变频器还具有极强的保护功能，可以适用在有腐蚀、爆炸等危险的化工环境中。在高吸水树脂的生产流程中，其配料控制，改性剂的剂量泵控制，反应釜的搅拌速度控制，粉碎机刀片的摆动速度等是工艺流程中重要的环节。其控制的精确度、灵活性将对产品的产量、质量起着关键的作用。实现这些环节的控制方式多种多样，利用变频器控制是最理想的手段之一，尤其是对于大规模的生产，采用变频器尤其适用[3]。高吸水树脂生产线主要由反应釜、改性剂配料泵以及输送泵、旋转式烘箱、粉碎机等组成，反应釜的搅拌速度、改性剂量泵的精确控制均可由变频器实现全自动控制。随着电力电子器件的发展变频器的价格在降低，而其容量却在大型化，因此在化工领域采用变频器控制其性价比是显而易见的。1.2选择变频器的依据[3]企业在最初的生产过程中，反应釜的搅拌速度、改性剂量泵的控制是通过有级调速，这种调速方式存在着抗干扰能力差、能耗大、发热高、机械特性差、速度调节范围小以及控制环节多、可靠性差、节能效果差等缺点。最近几年来，电力电子技术、微机技术、集成电路技术的发展，变频调速系统逐渐有模拟控制转向数字控制，在抗干扰能力、节能、调速范围、调节精度、动态响应方面，越来越显示出其他交流调速方法不可比拟的优越性。在这些方面可以同直流调速系统相媲美。在实际选用的时候，为了给企业节约资金同时也能很好地适应生产，在选择变频调速装置的时候，我们选择设备投资省、结构简单、控制可靠、维护方便、技术成熟的装置。在生产过程中电机调速传动有两个方面，这就是工艺调速传动也就是根据工艺要求进行调速的传动，如在化工、炼油工艺流程中控制物料流量的场合等。另一类就是节能调速传动就是有泵类、风机类的场合，采用调速装置来调节流量、压力等可取得显著的节能效果。在SAP的生产工艺流程中，其生产设备包括很多混合搅拌机，改性剂泵、风机等，它们的特点是数量多，容量大、耗能厉害，变频调速能很好地满足这些电气传动设备的调速要求，为企业在降低电耗，节约能源，提高产品的竞争力提供了有力的支撑。在实际生产当中，由于变频调速装置故障引起的停工、维护损失，要远远超过变频调速本身价值。因此，我们选择变频器时依据两个原则：其一，根据实际的负载选择变频装置；其二，充分考虑经济性、可靠性。图1负载特性图2.3变频调速装置在生产SAP企业中的具体应用高吸水树脂在我国是个新兴的朝阳产业，由于它特殊的应用领域，因此在生产（SAP）过程中，要提高生产效率和保证产品质量，对进入反应釜中的物料、催化剂必须进行特别严格的比例控制，固体物料也要进行严格的称量，原料的反应速度、混合均匀度，须通过搅拌浆的速度来进行调节，而搅拌浆的速度需要通过调节电动机的转速来进行控制,进而控制生产设备的运行参数。交流异步电机中笼型异步电机不可调速，而绕线异步电机又不能实现连续调节且调节范围小[2]，只能通过调节水泵的水量以及风机的风量，从而导致大量能源消耗在管道以及相关的阀门上。在2006年浙江威龙高分子材料有限公司采用交流变频技术，其效果十分明显，每台风机类负载可节能达到20%以上，而每台泵类负载更可达到30%以上。另外在生产过程中需要对半成品进行冷却，需要设置循环水管，还有企业相关的消防水管网等一些公用设施会由于管道压力过大而造成损坏，由此带来一些负面影响：（1）压力过低；（2）浪费水和电。以前公司采用的是频繁起、停水泵的方式来进行调节，这种方式既不经济可靠性也差，自从采用交流变频调速技术实现恒水压供水后，能有效防止系统管道超水压而带来的设备损坏，从而减少了维修费用，同时也降低了能耗。随着公司的不断发展，不同的客户提出了不同的要求，小孩尿裤以及成人失禁尿垫生产商要求产品的目数是在30至40目之间，卫生巾生产商需要40至120目之间，而光缆厂家则要求150目以上，为了满足不同的客户，迫切需要对生产装置进行技术改造，但却碰到了问题，如在对装置的扩大容量时遇到如下情况：为了提高生产效率，使得成品的“目数”能在一个较大的范围内变化，从而需要调节传动设备的转速在一个大的范围内变化。公司以前常采用两种方法：其一更换电机，其二更换齿轮变速箱，这样直接导致设备的严重浪费，同时也造成工作量大，施工时间长。为此从经济节能和技术可行两个方面来考虑对电机采用变频器进行适当变速，经过反复论证选用合适的变频调速装置，以减少设备的投资。公司为了大幅提升生产效率，针对性地研究了特种切割机，该切割机的主要参数如表1。表1切割机的主要参数设置规格刀片片数外型尺寸cm*cm*cm主电机功率kw主轴转速r/min进料尺寸mm*mm出料尺寸mm*mm重量kg0832600*520*930751470615*46030*301050主驱动电动机是三相鼠笼型异步电动机，其容量足够大，如果采用更换齿轮变速箱不但需要28.5万元，而且施工时间大约需要三个多月，造成停车停工，为此经过对设备数据的采集，对相关参数的分析测算，决定采用交流变频调速，选用了ABB公司的ACS510变频器，同时配置了ABB公司的输出电抗器以抑制切割机在非正常制动时的波动现象。为进一步实现复杂工艺的要求，公司还采用了三菱公司的FXON—24MRPLC，这样总共投资11万元。所有装置从安装、施工到调试仅历时一周。这组装置自投运以来，性能稳定、运行可靠、节能节电完全达到我们的预期效果。因此变频器良好的智能性控制过程，对于规模化的产业生产过程更适用，是最理想的控制手段之一。2.4变频器容量的选择及使用注意事项1）变频器容量选择[4]合理选择变频器的容量，对减小投资，节约电费是必要的。选择变频器的容量可根据经验公式：P=KPN，式中，P：是变频器容量；K：惯性系数，惯性很小的负载K取1.1~1.5,惯性很大的负载K取1.5~2.0。PN：拖动电动机的功率。2）变频器使用注意事项[5]变频器的安装环境应干燥、无腐蚀性气体，无机械震动和电器干扰的场合，防止金属碎屑、水滴等落入变频器内，并避免阳光直射；变频器本身没有散热装置，而其内部有较多的发热元件，所以必须采取必要的措施使它散热如增加散热孔洞，安装电风扇；变频器在使用时候必须根据不同的负载情况对其功能和参数进行设定，否则会造成其输出值与实际情况不匹配，而不能正常使用；使用变频器必须满足工艺要求，另外对有些负载过大而变化不大的设备不宜采用；多数变频器的控制电路均采用微处理器，控制信号为弱电型，为防止外部干扰影响变频器正常使用，在使用时候应按控制信号分类配设，对于开关信号可用一般控制电缆，对弱电模拟信号（测量信号、速度控制信号等）宜采用屏蔽控制电缆。并要求动力和控制电缆分槽配线。3PLC控制的送料过程在生产过程中，我们选用了日本三菱公司FXON—24MR可编程控制器，它控制的机械手送料过程及其梯形图如2所示。S2为最初状态，当辅助继电器接通时，状态从S2向S30转移，下降输出Y10动作，当下限位开关X10接通时，状态S30向S31转移，下降输出Y10切断，进料输出Y11接通并保持，并启动定时器T0，定时时间到转移至状态S32，上升输出Y12动作。当上限位开关X12动作时，状态转移至S33，右移输出Y13动作。右移开关X13接通，转到S34状态，上升输出Y12再次动作。当上限位开关X12又接通时状态转移至S35，使得输出Y11复位，机械手卸料结束启动定时器T1。时间到后状态转移至S36，下降输出Y10动作，到下限位开关X10接通，状态转移至S37，左移输出Y14动作，到达左限位开关X14接通，状态返回S2进入下个循环[6][7][8]。4结束语随着电力电子器件的不断发展，变频器的很多性能指标也日益完善，在调速方面以及在节能上将表现的更加卓越。由于它的运用提高了机械设备的调速性能，加强了化工机械设备在生产线上的稳定性，可以预言它将逐步成为企业调整控制设备的理想选择。SETS2SETS30Y10SETS31SS21SETY11T0SETS32Y12SETS33Y13SE