硅橡胶捏合机的改造

硅橡胶捏合机的改造

吴平海

吴平海

（深圳市绿景物业管理有限公司518000）

摘要：通过对硅橡胶捏合机的PLC控制系统程序设计分析，阐述了硅橡胶捏合机使用变频器调速系统及应用PLC控制系统是可行的，并具有提高设备的工作效率，保护设备，提高经济效益等优点。

关键词：化工设备捏合机改造；可编程控制器；变频器

一、概述：

随着电子产品及各类消费品，各专业领域的飞跃发展，国家也千方百计改善国民生活质量。硅混炼胶（以下简称硅胶）在各个领域的需求成倍增长。产品链不断个性化，由原来几种邵氏硬度（以下简称硬度）的硅胶产品发展到如今的几十种不同硬度的硅胶产品（20-90邵氏硬度）。随着各用户不同的个性要求需要生产不同性能的硅胶，这样就对捏合机的综合性能要求提高了。

我公司现有2台TS-2000L（主电机132KW）型，4台TS-500L（主电机37KW）型捏合机。其装配都是由主电机自耦变压器降压起动，经减速器（公称传动比i=40），传动齿轮带动捏合室转子对物料进行捏合。电气控制系统是采用接触继电器控制，开合捏合室盖附图1-⑽、捏合室倾斜附图1-⒀，由附图1-⑼、⑿双作用液压缸分别控制，为液压系统。

现有设备的装配缺点是：①转速不可调，捏合高硬度硅胶对传动系统冲击大。②电气控制部分接线、接点多，可靠性较差，保护功能不完善。③主电机为硬起动，均为手动操作。由此，对TS-2000L型硅胶捏合机的改造由我提出用可编程控制器与变频器替代原有的接触继电器控制自耦降压起动系统。经总公司及总工程师的批准，第一台TS-2000L型硅胶捏合机的相关改造工作由我负责实施。为更好地了解PLC与变频器的控制过程，先介绍捏合机对物料的捏合过程。

捏合物料，起动液压泵，附图1-⑼、⑿双作用液压缸分别工作。开盖附图1-⑽、捏合室倾斜附图1-⒀，方便上料（物料质量为1000-1300公斤）。将生胶及配合剂一次性投入捏合室，捏合室复位、合盖，起动附图1-⑴主电机，经减速器附图1-⑵减速，传动齿轮附图1-⑶带动捏合室附图1-⑷转子开始对物料进行捏合。由附图1-⑺热油循环泵，⑻储油罐，⑾捏合室中间夹层及管道、F—108型温度自动控制仪，接触器等组成热油油温自动控制系统（该温度控制仪温度设定方便，性能稳定，价格低，可以满足捏合物料时对温度的要求，故改造后的捏合机控制系统仍保留原有的油温控制系统）。加填料前启动热油循环泵，对物料预热20－30分钟，加填料的次数、硅胶的捏合时间与捏合硅胶的硬度不同分3－10次投入，每投一次，捏合8－20分钟。填料加完，再对捏合室物料捏合20－40分钟。开启真空泵附图1-⑹对捏合室中的物料抽真空40－120分钟后。停真空泵、热油循环泵、主电机，放真空使捏合室内外压力平衡。开盖、捏合室倾斜，启动主电机反转出料，一槽硅胶捏合完成，送下一工序。

二、PLC控制的变频调速硅橡胶捏合机

1、变频器及其参数设置

（1）对变频器基本性能的要求：①变频器容量适当。②低速时能保证电动机的出力。③速度能平滑调节。④实现电动机的软起动。⑤具有完善的保护功能，过（久）压，过电流，过载等。⑥可靠性高。

（2）工作过程：TS－2000L型捏合机主电动机为Y280M-4型132KW、380V，额定电流241.3A，额定转速1483r/min。根据变频器带单台电动机容量，电流选择公式Pcn≥K·Pn/ηCOSφ（Pcn变频器额定容量，K系数取1.05，Pn机械需求电动机输出轴的功率，Pn=132KW，η机械效率，取0.85，COSφ功率因数取0.75）即Pcn＝1.05×132KW/0.75×0.85=217.41KW，Icn≥K·Ie=1.05×241.3A=253.36A。故对以上要求，该主电机适宜三菱FR－A540L－160K型变频器，容量248KVA，额定电流325A。适用工业负载，具多段调速，电动机低速时，旋转转矩更均匀，性能优越，其接线原理图见附图2。

PLC控制的变频调速工作方式，根据捏合硅胶硬度的不同，用PLC程序控制变频器的STF，RH、RM，RL相应端子的通断见附图3实现与硅胶硬度相对应的主电机变频调速。如附图4中，STF＝ONRH＝ON主电机运行方向为正转，频率45Hz。在附图3，当选择开关SA1＝ON时，变频器禁止输出信号MRS与公共端SD相接通，SA1给定信号有效，此时变频器停止输出。CS瞬时停电再启动端与SD公共端相接通，变频器运行时，如出现瞬时停电再来电即照常运行。当变频器保护功能动作时，A、C二端接通，变频器故障指示灯HLO亮。R1、S1控制回路电源端接R端，S端。主电机电缆直接接到变频器输出端U、V、W，取消原有的接触器。STR、JOG端子与公共端SD相连接时，主电动机点动、15Hz频率运行、反转，出料控制。

（3）参数设置：见附表1。其中Pr4、Pr5、Pr6、Pr7、Pr8、Pr15、Pr24为调试设置。在实际运行时可据实测运行数据来调整，即按捏合硅胶硬度来设置以上几点参数。

2、PLC控制原理

（1）起动：有二种方式，当选择开关SA2＝OFF时，捏合机手动工作，SA2＝ON捏合机由PLC程序控制自动工作。

①SA2＝OFF，投入胶料后，选择开关SA3＝ON捏合机以固定转速捏合胶料，SA3＝OFF主电机停止捏合，同时使SA7＝ON，热油循环泵启动对物料预热20－30分钟，SB3=0N开盖加填料，SB4＝ON合盖，再次启动捏合机，到填料加完。选择开关SA6＝ON真空泵启动，对捏合室物料抽真空，时间为80－120分钟。捏合时间到，停主电机，开盖，倾斜捏合室，SB7＝ON，主电机15Hz频率运转并反转出料，此为手动控制捏合机工作。

②SA2＝ON，PLC程序跳至PO处，选择好捏合硅胶硬度选择开关（SA4、SA5）。本例中SA4＝ON、SA5＝ON捏合80硬度硅胶，SA4＝OFF、SA5＝OFF捏合40硬度的硅胶，按SB1捏合机按PLC程序控制自动运行。

（2）停止：SB2=ON，捏合机无条件停止工作。设备紧急故障时，按SA1=ON，变频器急停，以保护变频器安全，确认无故障后SA1=OFF，备下一次启动或继续运转。

（3）输入输出分配图：

本控制选用FX2N-64MR三菱可编程控制器，I/O分配及各存储器、电器元件分配表见附表2，PLC控制的变频调速捏合机接线图见附图3。

（4）状态转移图

根据捏合物料的工作顺序，编制出PLC自动控制状态转移图见附图5，梯形图见附图6。其工作原理如下：

开机，将物料投入捏合室，选择好捏合硅胶硬度开关（SA4、SA5）。SA2=ON，特殊辅助继电器M8000运行即为ON，按SB1、S20置位，KM1得电，液压泵启动，二秒后换向阀电磁铁2YA得电合盖。

合盖限位开关LS2=ON，合盖到位、S21置位、Y15置位、KM2得电热油循环泵启动对捏合室物料预热30分钟、YO、Y1闭合变频器多段调速，主电机启动对物料捏合。

30分钟到，T20闭合、S22置位、KM1得电、液压泵启动，二秒后换向阀电磁铁1YA得电开盖，加入相应的填料。

按SB4、S23置位，KM1得电液压泵启动、二秒后换向阀电磁铁2YA得电，合盖。

合盖限位开关LS2=ON，合盖到位。如SA4=ON，SA5=ON，则并行分支选择S24置位、Y2、Y0闭合、变频器多段调速，加料次数显示为1，捏合15分钟后，加填料次数未到（本例8次），C3=OFF，T21=ON，程序跳转至S22状态，开盖、加填料、合盖、S24置位，进行第二次加填料后的捏合。当加料累计8次后，第8次捏合时间到T21=ON、C3=ON，S25置位，Y0、Y3闭合、变频器多段速运行，30分钟后自动开启真空泵，抽真空电磁阀。

捏合约2个小时后，C5=ON，S26置位，捏合室放真空电磁阀5YA电磁铁得电、KM1得电液压泵启动，3秒后换向阀电磁铁1YA得电开盖。

开盖限位开关LS1=ON，S27置位，停热油循环泵，KM1得电液压泵启动，2秒后，换向阀电磁铁3YA得电，捏合室倾斜。

倾斜限位开关LS3=ON，S28置位。SB7=ON、Y4、Y5闭合，主电机反转出料。

上好下一槽物料后，按SB6，S29置位、KM1得电液压泵启动，二秒后换向阀电磁铁4YA得电，捏合室复位。

复位限位开关LS4=ON，S20置位，返回自动捏合过程。自动程序中的并行分支当SA4=OFF﹑SA5=OFF即选择捏合40硬度的硅胶，只是和以上程序在加填料次数和捏合时间上稍有不同，就不在叙述。

三、综合调试

以上描述的PLC程序是经多次模拟状态下调试修改后确定的。由于对PLC的一些指令、内部元件的理解使用不够透彻，造成在调试过程中的一些困难，如：在状态S24下，图7所示是原先确定的，用计数器C1做的每次加料的捏合时间为15分钟。在调试中发现M8014是PLC运行每分钟一个脉冲，不受其它条件限制，如果每次刚到S24状态下M8014刚好有一个脉冲，即每次加料后捏合时间都少了一分钟，明显影响捏合质量，故将程序改为图8所示。

在联机调试时分段调试，将PLC程序存入PLC内存后模拟各开关量动作，使得PLC输出符合要求。变频器在做好一些基本试验（如：PU控制正、反转）后将附表1的内容设入变频器，联上PLC及设备的主电机进行设备的空载试运行。试机前仔细检查各部分接线是否正确，限位开关、选择开关动作是否符合要求。若主电机反转，则可以用变频器的STF、STR端子对调来解决，变频器Pr4、Pr5、Pr6、r24各参数的最终确定主要从下面4点来确认：①胶料的硬度对设备破坏性冲击；②转速高温度也高对物料的影响；③依物料的各种物理特性化验数据来确认；④保证品质的情况下尽可能减少捏合时间，降低能耗。

四、结束语

PLC控制的变频调速捏合机与原接触继电控制系统相比较。保护功能完善，避免误操作而出现损坏设备、减少了维护工作，捏合物料时对设备的冲击强度大大减小。PLC控制以严格的时序工作，实现加料次数显示及变频调速，明显提高了物料的各种物理特性。由于主电动机起动电流较小在生产高峰期（有时出现多台捏合机同时启动），一定程度上缓冲了供电压力，提高了电压质量。

硅橡胶捏合机用PLC控制、变频器拖动的方法是切实可行的。通过第一台TS-2000L型捏合机的改造，证明了新系统比旧系统具有提高捏合机整机性能，可靠性、操作简便、等优点。为公司今后捏合机改造，新机购买提供了实际依据。

由于水平尚浅，在论文的编写过程中难免存在谬误恳求各位老师，专家批评、指正。

参考文献：

[1]韩安荣主编：《通用变频器及其应用》，机械工业出版社；2003

[2]钟肇新，彭侃编译《可编程控制器原理及应用》2002

[3]三菱FR-A540L-160K变频器用户使用手册

附图1：

（1）主电机（2）减速器（3）传动齿轮（4）捏合室（5）观察镜（6）真空泵（7）热油循环泵（8）储油槽（9）、（10）双作用液压缸（10）捏合室盖（11）捏合室中间夹层（12）捏合室体

附图2：

附图3：

附图4：

附图5：

附图6：

附表1：

附表2：