AUTOMATYZACJA PRACY WYTŁACZARKI JEDNOŚLIMAKOWEJ

MICHAŁ FLISIAK PAWEŁ FRANKOWSKI E-mail: [email protected], [email protected] Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie ul. Sikorskiego 37, 70-313 Szczecin

AUTOMATYZACJA PRACY WYTŁACZARKI JEDNOŚLIMAKOWEJ

Streszczenie: W artykule poruszono zagadnienie integracji modelu wytłaczarki z systemem sterowania. Zaproponowano model matematyczny, który w dalszej kolejności posłużył do wykonania stosownych aplikacji i wizualizacji systemu. Wyniki przeprowadzonych prac zostały zaprezentowane i opatrzone komenta-rzami.

Słowa kluczowe: sterownik PLC, symulacja i wizualizacja procesu, model matematyczny procesu wytłaczania, automatyzacja procesu

1. Wstęp

Wytłaczanie to istotny proces technologiczny, który obok wtryskiwania i pra-sowania stanowi jedną z głównych technik wytwarzania wyrobów z tworzyw polimerowych. Zapotrzebowanie na wyroby lub półwyroby z tego materiału takie jak profile, płyty, folie itp. wzrasta z roku na rok. Powodami takiego stanu rzeczy są niskie ceny granulatu potrzebnego do produkcji oraz łatwości formo-wania kształtów wykonywanych produktów. Ważną rolę odgrywa również wpływ na środowisko. Recykling polimerów jest procesem prostym, który zo-stał już zakorzeniony w świadomości ludzkiej. Ponadto, włókna poliestrowe odzyskane w procesie recyklingu są bardzo dobrej jakości, dzięki czemu są z powodzeniem wykorzystywane przy produkcji kolejnych wyrobów.

Wspomniane korzyści, które niesie za sobą przetwórstwo tworzyw sztucz-nych, powodują rozwój tej gałęzi przemysłu. Światowe koncerny przykładają coraz większą wagę do prowadzenia badań w tej dziedzinie oraz inwestują zna-

Michał Flisiak, Paweł Frankowski 44

czące kwoty pieniędzy w specjalistyczne laboratoria badawcze, w których nau-kowcy m.in. opracowują modele przyszłych procesów, zanim te jeszcze wejdą w życie. W świetle tych faktów należy stwierdzić, że poruszana w artykule te-matyka jest bardzo aktualna i istotna.

Wytłaczanie polega na uplastycznieniu materiału w układzie uplastycznia-jącym wytłaczarki, a następnie jego ukształtowaniu poprzez wyciskanie przez odpowiednio ukształtowaną dyszę. Wielowymiarowa i nieliniowa natura obiek-tu jakim jest wytłaczarka, znacząco wpływa na stopień skomplikowania procesu sterowania. Głównym zadaniem stojącym przed technologiem obsługującym urządzenie jest utrzymanie stałej jakości wytłoczyny. Zadanie to nie jest łatwe gdyż na proces oddziałują liczne czynniki, takie jak: temperatura, ciśnienie, lepkość, czy degradacja mechaniczna i cieplna. Głównymi etapami wytłaczania są mieszanie płynnego tworzywa i jego formowanie.

2. Proces wytłaczania jednoślimakowego

Jednym z podstawowych zamierzeń niniejszej pracy było stworzenie matema-tycznego modelu procesu wytłaczania. Podstawowe założenia projektowe usta-lono na podstawie [1] i [2].

Na proces wytłaczania w znacznym stopniu wpływa tarcie tworzywa o śli-mak. Znaczenie mają też kształt i wymiary elementów wytłaczarki. W propo-nowanym modelu matematycznym przyjęto, że całość procesu opiera się na przekazywaniu ciepła pomiędzy strefami i jego stratami na rzecz otoczenia. Pominięto zmiany rozkładu ciśnienia na długości całej maszyny. Nie uwzględ-niono również zmiany stanu skupienia tworzywa w miarę tłoczenia ku głowicy. Podczas realizowanych prac wykorzystano środowisko programistyczne Ma-

tlab, a zwłaszcza moduł Simulink. Pobór mocy przez grzałki w poszczególnych strefach grzewczych urządze-

nia jest ściśle powiązany ze zmianą energii wewnętrznej tworzywa w nich prze-bywającego [3].

Ponieważ ∆Ew=W, a W=P⋅t i ∆Ew=m⋅c⋅∆T, zatem P⋅t=m⋅c⋅∆T, z czego wy-nika, że ∆T=(m⋅c)/(P⋅t). Przyrost temperatury w danej strefie to różnica tempe-ratury średniej przy jej końcu i temperatury początkowej strefy ∆T=Tsr-Tp, więc:

psr Tcm

tPT +

⋅

⋅= (1)

Automatyzacja pracy wytłaczarki jednoślimakowej 45

Kwestię strat ciepła oddawanego przez tworzywo na rzecz otoczenia dla każdej strefy zamodelowano przyjmując, że wartość ta jest wprost proporcjo-nalna do różnicy temperatury wewnątrz wytłaczarki oraz temperatury otoczenia [3]. Zależność ta jest liniowa i opisuje ją funkcja:

srs TT +=10

1 (2)

W związku z powyższym, ostateczna temperatura dla każdej strefy wynosi:

Tk = Tsr + Tp - Ts (3) gdzie:

∆Ew – zmiana energii wewnętrznej tworzywa W – praca P – moc grzałki [W] t – czas przepływu przez strefę [s] m – masa [kg]

c – ciepło właściwe tworzywa [J/kg⋅K]

∆T – zmiana temperatury tworzywa [K] Tsr – temperatura końcowa po ogrzaniu (bez strat) Tp – temperatura początkowa strefy Ts – temperatura strat Tk – temperatura końcowa dla danej strefy Opracowany model składa się z pięciu podsystemów odpowiadających pię-

ciu strefom grzewczym wytłaczarki. Każda kolejna strefa swoje dane wejściowe pobiera ze strefy wcześniejszej, schemat systemu przedstawiono na rysunku 1.

W każdym podsystemie znajduje się podobny zestaw bloków imitujących fizykę procesu, a połączone z każdą strefą switche pełnią w symulacji rolę kon-trolowanych awarii. Umieszczone wejścia i wyjścia modelu mają za zadanie pobieranie oraz oddawanie informacji o aktualnych wartościach mocy grzałek, temperatur i prędkości obrotowej ślimaka.

Pierwszy człon zaopatrzony jest w bloki z wartościami stałymi tworzywa, takimi jak ciepło właściwe, strumień masy, czas przepływu przez strefę oraz temperaturę otoczenia będącą jednocześnie temperaturą początkową dla pierw-szej strefy. Aktualna wartość mocy grzałki jest pobierana z obszaru pamięci programu przyporządkowanej do obsługi wyjść sterownika. Do uwzględnienia zjawiska pojemności i aktywności cieplnej, zastosowano dwa bloki Trans-

fer Fcn, które połączone szeregowo, działają na zasadzie inercji drugiego rzędu.


Pierwszy blok symuluje bezwładność cieplną generator-grzałka, drugi zaś grzałka-tworzywo. Poszczególne bloki tworzą grupy, które wiernie oddają wy-prowadzone wcześniej wyliczenia matematyczne. W każdej chwili użytkownik może podłączyć wyświetlacz w dowolne miejsce grafu i dokonać analizy sygna-łu niosącego informacje o aktualnej wartości sprawdzanego parametru.

Rys. 1. Schemat blokowy wytłaczarki

Problem strat ciepła został przedstawiony w modelu za pomocą bloku za-wierającego opisywaną funkcję. W celu symulacji bezwładności cieplnej przy oddawaniu ciepła, ponownie zastosowano blok Transfer Fcn imitujący inercję pierwszego rzędu. Aktualna temperatura końcowa dla strefy została wyprowa-dzona na wejście strefy następnej.

Kwestię wpływu prędkości obrotowej ślimaka na wartość wielkości prze-pływu rozwiązuje podsystem masa. Przyjęto, że zmiana prędkości obrotowej zmienia ilość masy poddawanej ogrzewaniu, podczas gdy czas nagrzewania dla tej masy pozostaje niezmienny. Stąd też w zależności od zainicjowanej w ste-rowniku wartości prędkości ślimaka (40, 60 lub 80 obr/min), operator dobiera za pomocą przełączników ilość strumienia masy używanej w dalszej części symulacji. Na potrzeby pracy przyjęto, że wartości te wynoszą odpowiednio 0.5, 0.7 oraz 1 kg. Aktualne wartości parametrów są monitorowane, a system wykreśla w czasie rzeczywistym przebiegi czasowe poszczególnych procesów.

Poza opisywanym modelem matematycznym, w skład symulacji wchodzą jeszcze takie elementy jak blok konfiguracji modelu trójwymiarowego oraz zawiadująca nim s- funkcja przyporządkowująca wartości wyjściowe układu sterowania parametrom zdefiniowanym w bloku wizualizacji. Ponadto wszyst-kie wartości aktualnej temperatury strefy są wyprowadzone na wyświetlacz za


pomocą obiektów Scope oraz ekranów wizualizacji realizowanych za pomocą bloków VR Text Output.

3. Trójwymiarowa animacja działania modelu

Na potrzeby wizualizacji automatyzowanego procesu powstała trójwymiarowa animacja wytłaczarki jednoślimakowej. Została ona wykonana w programie V-Realm Builder 2.0, który jest edytorem światów wirtualnych wykorzystujący język modelowania VRML (Virtual Reality Modeling Language). Budową, struktura programu przypomina język Java. Występujące w projekcie obiekty można podzielić na konkretne klasy, co umożliwia operowanie na grupach obiektów, którym indywidualnie bądź zbiorowo przypisujemy pewne właściwo-ści, parametry czy zachowania. Program jest bardzo intuicyjny, a jego kompa-tybilność ze środowiskiem Matlab/Simulink stanowi duży atut. Czyni to z niego dobrą alternatywę dla tekstowej formy opisywania światów wirtualnych.

Stworzony model składa się z zasobnika, czterech cylindrów, głowicy oraz ruchomego ślimaka. Stopień nagrzania stref grzejnych określa ich barwa. Podob-nie ma się to w przypadku grzałek umiejscowionych nad strefami grzejnymi. Gdy temperatura poszczególnych elementów jest niska, mają one kolor niebieski. W miarę wzrostu temperatury, ich kolorystyka przechodzi w czerwień.

Do stref grzejnych, oprócz cylindrów należy zaliczyć również głowicę, gdyż stanowi ona ostatni element układu sterowania i tak jak cylindry jest wy-posażona w grzałkę. Całość symulacji wieńczy umiejscowiony w środku śli-mak, którego ruch ukazuje wartość jego prędkości obrotowej. Ponadto wypro-wadzone na ekran pola tekstowe informują użytkownika o aktualnej wartości temperatury w danej strefie.


Rys. 2. Wizualizacja trójwymiarowego modelu wytłaczarki

4. Program sterujący

Komunikacja pomiędzy sterownikiem, a środowiskiem Matlab/Simulink została zrealizowana przez protokół TCP/IP S7-1200 (Transmission Control Protocol). Służy on do wymiany danych pomiędzy komputerami i innymi urządzeniami w sieci. W procesie komunikacji wykorzystano bloki funkcyjne TRCV_C oraz TSEND_C. [3].

Sterownik rozpoczyna swoją pracę po otrzymaniu sygnału o załączeniu urządzenia. Następnie grzałki zostają włączone. W kolejnym kroku program porównuje aktualną temperaturę każdej ze stref z temperaturą zadaną. Jeżeli wszystkie strefy są już odpowiednio nagrzane, następuje włączenie ślimaka wytłaczarki i tłoczenie materiału do stref grzewczych. W tym miejscu utworzo-no również oparty na timerach system bezpieczeństwa, tzw. watchdog, którego zadaniem jest odmierzenie czasu od załączenia grzałek. Gdy czas ten przekro-czy maksymalny czas rozruchu, sygnalizowana jest awaria.


W innych przypadkach układ zaczyna pracować automatycznie. Praca au-tomatyczna polega na nieustannym korygowaniu napięcia na grzałce w zależno-ści od wartości sygnału błędu temperatury w danej strefie. Regulacja odbywa się za sprawą wbudowanego, samostrojącego regulatora PID. Program działa w pętli do czasu wystąpienia awarii. Może ona mieć miejsce na skutek zbyt dużego sygnału błędu z grzałki lub też braku napięcia zasilania którejś z grza-łek. Wówczas program czeka na usunięcie awarii, którą sygnalizuje jednocze-śnie lampką. Usunięcie awarii daje początek nowemu obiegowi programu. Dzięki alternatywnemu połączeniu kroków, a tym samym autonomicznej pracy każdej ze stref, układ działa nieprzerwanie nawet, gdy pojawią się problemy z jedną lub kilkoma grzałkami. Nad całością przebiegu procesu czuwa osobny układ bezpieczeństwa kontrolujący działanie układu pod kątem naciśnięcia przez operatora przycisku PSA. Powrót procesu do stanu pracy normalnej jest możliwy dopiero wówczas, gdy operator usunie awarię oraz potwierdzi jej usu-nięcie przyciskiem kwitowania. Ogólny algorytm sterowania procesem pracy wytłaczarki przedstawiono na rysunku 3.

Projekt panelu operatorskiego, dzięki któremu użytkownik może na bieżąco śledzić przebieg procesu przedstawiono na rysunku 4. Na ekranie widnieje sche-matyczny rysunek wytłaczarki. Został on podzielony - wedle przyjętego modelu, na pięć stref grzewczych. U każdej ze stref widnieje szereg parametrów takich jak aktualna temperatura strefy, wartość zadana temperatury oraz stan pracy.

W przypadku pracy normalnej, lampka jest koloru zielonego. Jeżeli nastąpi-ła awaria w danej strefie i proces nie przebiega prawidłowo, lampka przybiera kolor czerwony. Ponadto, w przypadku wystąpienia zbyt dużego sygnału błędu, pole wyświetlające aktualną temperaturę strefy przybiera odpowiedni kolor. Niebieski, gdy błąd ujemny jest zbyt duży, a gdy wystąpi zbyt duży błąd dodat-ni to kolor czerwony. Jeżeli urządzenie działa poprawnie a wartość błędu mieści się w przedziale ± 5% wartości zadanej, pole ma kolor zielony.

Umiejscowiony za pierwszą strefą napęd symbolizuje ślimak, którego stan pracy przedstawia umieszczona nad nim kontrolka. W stanie pracy normalnej, gdy ślimak działa bezawaryjnie lampka świeci na zielono, gdy wystąpi awaria kolor zostaje zmieniony na czerwony.


Rys. 3. Ogólny algorytm sterowania procesem pracy wytłaczarki

Układ sygnalizuje również, w jakim stanie pracy się znajduje. Lampka pra-ca zostaje załączona przy starcie urządzenia. Jeżeli nastąpiła awaria i układ działa niepoprawnie, lampka awaria zmienia swój kolor z białego na czerwony. Nie jest to jednak jednoznaczne z wyłączeniem urządzenia, gdyż algorytm ste-rowania został opracowany tak, że tylko wyłączenie maszyny lub naciśnięcie przycisku PSA powoduje przerwanie procesu. Wobec tego możliwa jest sytua-cja sygnalizacji trybu pracy przez lampkę praca w momencie, gdy nastąpiła awaria którejś ze stref. Daje to operatorowi możliwość podjęcia decyzji czy proces powinien zostać przerwany czy też nie. Wizualizacja procesu przedsta-wionego na panelu operatorskim jest przejrzysta i daje operatorowi pełny wgląd w jego aktualny stan.


Rys. 4. Widok okna operatora

5. Symulacja

Symulację przeprowadzono dla trzech wariantów nastawy prędkości obrotowej ślimaka oraz konkretnych wartości temperatur zadanych dla poszczególnych stref grzewczych wytłaczarki. W miarę wzrostu prędkości obrotowej, nastawy mocy grzałek ulegały zmianom. Przyjęte wartości temperatur zadanych w po-szczególnych strefach grzewczych zaprezentowano w tabeli 1. W tabeli 2 przedstawiono charakter procesu w omawianych przypadkach.


Tab. 1. Tabela wartości temperatur zadanych w poszczególnych strefach grzewczych wytłaczarki

Nr strefy Temperatura zadania [°C]

I 76

II 128

III 174

IV 215

V 252

Tab. 2. Tabela zależność strumienia masy i mocy grzałek od wartości prędkości obro-towej ślimaka wytłaczarki

Prędkość obrotowa [obr/min]

Strumień masy [kg] Moc grzałek [W]

40 1 3000

60 0,7 2100

80 0,5 1500

Dobór nastaw regulatora PID został dokonany eksperymentalnie, lecz opro-gramowanie firmy Siemens pozwala na samodzielny dobór nastaw, tzw. auto-

tuning, który również daje dobre rezultaty. Na rysunku 5 przedstawiono przy-kład działania regulatora dla jednej ze stref wytłaczarki.

Rys. 5. Przykładowy wynik symulacji regulacji temperatury w funkcji czasu dla trzeciej strefy grzewczej wytłaczarki


Na rysunku 5 przedstawiono przykładowy proces regulacji układu. Począt-kowa zwłoka, spowodowana jest procesem przygotowywania układu do pracy. Po dwunastej sekundzie załączony zostaje regulator rozpoczynając tym samym właściwy proces. Końcowy efekt jest widoczny od około trzydziestej piątej sekundy, gdzie następuje względne ustalenie wartości i jej oscylacja w grani-cach przyjętej tolerancji.

6. Wnioski

Zarówno symulacja procesu jak i regulacja układu wypadły zadowalająco. Pro-gram sterujący za pośrednictwem regulatora PID z powodzeniem nadzorował przebieg procesu. Wobec dobranych eksperymentalnie nastaw regulatora, ste-rownik PLC wysterował moc grzałek zapewniając tym samym właściwe tempe-ratury stref grzewczych, oscylujące wokół wartości zadanych. Realizacja auto-matyki procesu była możliwa do zasymulowania dzięki prawidłowo skonstruowanemu modelowi matematycznemu, imitującemu fizykę zjawisk.

Wizualizacja procesu zrealizowana w programie V-Realm Builder 2.0 wy-padła dobrze. Grzałki przybierają kolor biały w przypadku braku zasilania oraz kolor żółty w stanie pracy. Barwy stref grzewczych zmieniają się dynamicznie w zależności od stopnia nagrzania strefy – od koloru niebieskiego, przez różo-wy po czerwony. Stany grzałek oraz stref grzejnych są czytelne i dają użytkow-nikowi pogląd na to, co dzieje się z urządzeniem.

Powyższa praca powstała na podstawie dyplomowej pracy inżynierskiej Michała Flisiaka pt. „System sterowania wytłaczarką”, Szczecin 2013.


Literatura

1. Wilczyński K., Model matematyczny procesu wytłaczania jednoślimako-wego, Polimery - czasopismo naukowo-techniczne, Warszawa, 1986-2000, cz. I-X.

2. Broel–Plater B., Sikora J., Proces wytłaczania jako obiekt sterowania au-tomatycznego, Polimery - czasopismo naukowo-techniczne, Warszawa, 2004, 49, nr 2

3. Pieńkowski K., Tumel A., Tumel W., Ogrzewnictwo, Politechnika Biało-stocka, Białystok 1990, Tom I

4. Hryniewicz J., Połączenie sterownika Simatic S7-1200 ze środowiskiem Matlab/Simulink (część II), Praca dyplomowa magisterska, Szczecin 2012

AUTOMATYZACJA PRACY WYTŁACZARKI JEDNOŚLIMAKOWEJ

Documents

Transcript of AUTOMATYZACJA PRACY WYTŁACZARKI JEDNOŚLIMAKOWEJ