Автоматизация процесса производства пенополистирола

Группа предприятий «ВяткаСтройДеталь» на протяжении восьми лет  изготавливает, поставляет и монтирует оборудование для производства теплоизоляционных плит из пенополистирола. Первая линия, изготовленная для нужд собственного производства,  была, если честно сказать, просто набором кустарного оборудования. Но мы, окрылённые успехами, накапливали опыт и оттачивали мастерство, с каждым годом уменьшая долю ручного труда в технологическом процессе за счет применения современных средств автоматизации.

Автоматика позволяет меньше времени тратить на контроль производственного процесса, приводит к увеличению выпуска, снижению себестоимости и улучшению качества продукции.  Автоматизация уменьшает численность обслуживающего оборудование персонала, повышает надежность и долговечность машин, дает экономию материалов, улучшает условия труда и повышает безопасность производства. Современные технические средства автоматизации обеспечивают автоматическое получение, передачу, преобразование, сравнение и использование информации в целях контроля и управления производственными процессами. И в этом плане особо можно отметить средства автоматизации, разрабатываемые компанией ОВЕН, которые мы и использовали для автоматизации процесса производства пенополистирола.

Итак, первая полностью автоматическая блок-форма с пультом управления на базе контроллера ОВЕН ПЛК 100 с двумя модулями дискретного ввода/вывода МДВВ  и панелью оператора ИП-320 была смонтирована в г. Альметьевск Республики Татарстан. Теперь, благодаря оборудованию ОВЕН, точно выдерживается технологический процесс, а производительность линии по производству пенополистирола в смену увеличилась до 50%. 

Производство пенопласта

Производство пенопласта (пенополистирола) состоит из следующих этапов:

1. В предвспенивателе, куда подаётся пар под давлением, происходит предварительное вспенивание сырья (полистирола вспенивающегося). Под воздействием пара гранулы полистирола многократно увеличиваются в размере, - как бы вспениваются. При достижении гранулами определённого объема процесс подачи пара прекращается, а сырье посредством пневмотранспорта отправляется в бункера выдержки.

2.  Во время выдержки вспененных гранул в бункерах дозревания происходит сушка и  стабилизация внутренних напряжений гранул. В зависимости от используемого сырья время выдержки составляет 12 – 24 часа.

3. Формование блока пенопласта в блок-форме. Гранулы загружаются в блок-форму, где происходит их тепловая обработка, и гранулы повторно расширяются, формируя таким образом внутри установки блок пенопласта. Затем происходит процесс охлаждения отформованного блока путем создания установкой вакуумирования разряжения в рабочей камере блок-формы и выталкивание толкателем, работающим от пневмоцилиндра, либо «пневмоподушкой». 

4. В период выдержки после формовки в блоках снижается влажность, а также стабилизируются внутренние напряжения.

5. Выдержанный блок можно нарезать на листы на горизонтальной, вертикальной или комбинированной резке.

6. Отходы производства измельчаются в дробильной установке, из которой по пневмотранспорту загружаются в отдельный накопительный бункер. Измельченный пенопласт повторно используется в производстве пенополистирольных плит при добавлении его ко вновь вспененным гранулам в соотношении около 1:10. 

Задача отдела автоматизации

Отделу автоматизации была поставлена задача: автоматизировать одну из самых сложных единиц оборудования в производственной линии – блок-форму, поскольку алгоритм действий оператора блок-формы обнаруживает ряд серьёзных проблем, требующих решения:

• Оператору во время всего цикла необходимо выставлять шаровые краны для подачи пара в блок-форму согласно инструкции.
• Оператор должен каждые 15 минут проводить весь цикл заново. Действия по управлению блок-формой однообразны, но требуют определённого внимания. На фоне общей утомлённости это приводит к случайным ошибкам при управлении блок-формой.
• Продувку, пропарку и охлаждение оператор делает, ориентируясь по показаниям манометров и часам.

Таким образом, прежде всего, нужно было освободить оператора от монотонной работы. Если за весь цикл спекания пенопласта будет отвечать автоматика, оператор сможет выполнять другие операции по цеху, например, заниматься подготовкой сырья или резкой блоков. Данное внедрение позволило бы сократить количество рабочих мест в цехе, что существенно уменьшило бы себестоимость выпускаемой продукции. 

Требования к функциональному составу устройства

Исходя из задач, были составлены требования к функциональному составу устройства:

• Наличие единого пульта управления всей блок-формой.
• Наличие управляемых клапанов и задвижек.
• Наличие логики, автоматически управляющей положением задвижек для подачи пара, положением клапанов для загрузки сырья, управление вентиляторами загрузки и вакуумным насосом.
• Наличие панели оператора для оповещения оператора о ходе работы.
• Наличие логики, реализующей автоматический запуск и окончание процесса.
• Наличие логики, позволяющей вручную задавать временные интервалы продувки, пропарки и охлаждения. А также выбор конфигурации для данных операций. Так, например, предоставление выбора программы для оператора делать продувку не по времени, а по значению манометра.
• Наличие аварийного оповещения оператора. Так, если во время автоматического цикла произошла авария, то необходимо проинформировать о ней оператора. После чего оператор переводит установку в ручной режим и завершает цикл под своим собственным контролем. 

Поиск решения

В первую очередь необходимо было заменить ручные шаровые краны для подачи пара в блок-форму на автоматически управляемые шаровые краны. Были выбраны шаровые краны, оснащенные пневмоприводами и конечными выключателями, для того чтобы в случае выхода крана из строя или по какой-то причине неоткрывания его, автоматика смогла определить данную неисправность и сообщить оператору об аварии.

Для привода двери, замка и клапанов загрузки в блок-форму были применены пневмоцилиндры, также оснащенные датчиками положения или конечными выключателями – для выявления аварийных ситуаций в случае несрабатывания замка или незакрывания двери.

Управление пневматическими исполнительными устройствами было принято осуществлять с помощью пневмораспределителей.

По заданию требовалось, чтобы операции пропарки и охлаждения имели возможность контролироваться по давлению в блок-форме. А именно: должно произойти завершение операции пропарки и охлаждения по достижению какого-то определенного значения давления. То есть как только требуемое давление будет достигнуто, операция будет закончена. Для этой цели прекрасно подошли контактные манометры. 

Выбор средств автоматизации ОВЕН

В качестве контроллера был выбран ОВЕН ПЛК 100 с двумя модулями расширения МДВВ. Данное оборудование идеально подходит для автоматизации блок-формы так как все входные сигналы, поступающие на вход контроллера, и выходные сигналы с контроллера являются дискретными. Также большим плюсом для выбора данного контроллера послужило то, что в комплекте с контроллером поставляется бесплатное программное обеспечение для программирования ПЛК и подробная инструкция с описанием и примерами.

Программа для ПЛК была написана в CoDeSys на языках SFC и CFC. Программа представляет из себя последовательные шаги. В каждом шаге происходит анализ входных сигналов от конечных выключателей клапанов, пневмоцилиндров и контактных манометров. Если входные сигналы удовлетворяют условию, то формируется выходной сигнал на управление пневмораспределителями и магнитными пускателями.

По окончанию цикла формирования блока пенопласта программа возвращается на первый шаг и встает в режим ожидания до тех пор, пока оператор не нажмет кнопку «Старт». 

Почему для автоматизации оборудования были выбраны продукты компании ОВЕН (ПЛК-100, МДВВ, ИП-320)?

Для себя в продуктах ОВЕН мы отметили следующие преимущества:

1. Контроллеры ОВЕН имеют высокую защиту при нестабильности питающей сети, имея не просто таймер WatchDog (как у большинства брендов), а специальный процессор, защищенный независимым элементом питания, который не только отслеживает состояние основного процессора, но в случае его зависания позволяет перевести выходные элементы контроллера в «безопасное состояние».

2. Бесплатная среда программирования CoDeSys: простой и удобный интерфейс, полная поддержка всех языков программирования согласно стандарта IEC 6-1131-3 (IL, ST, LD, SFC, FBD + дополнительный язык CFC).

3. Встроенная библиотекой элементов визуализации. CoDeSys имеет репутацию одной из самых надежных сред программирования ПЛК.

4. Созданная программа может быть загружена в ПЛК любого производителя имеющего поддержку CoDeSys.

5. Удобство монтажа и настройки: не требуется использование специального кабеля (подключение осуществляется по порту RS232), настройка параметров ПЛК на объекте может осуществляться пользователем, не владеющим навыками программирования, с помощью программы настройки и без использования среды программирования.

6. Высокая производительность: применение быстродействующего 32-битного микропроцессора RISC-архитектуры обеспечивает производительность, сравнимую с Intel Pentium 500 МГц.

7. Удобная поддержка: документация на русском языке и всегда доступная поддержка производителя, несомненно, помогут быстро решать возникающие проблемы.

8. Низкая стоимость ПЛК в сравнении с импортными и отечественными аналогами.

В заключение отметим, что работать с продуктами компании «ОВЕН» очень удобно. Вся документация представлена в доступном к пониманию виде. Наша компания и дальше собирается использовать средства автоматики ОВЕН в своих будущих проектах и разработках, поэтому активно следит за всеми новинками в линейке продуктов.

Работу автоматической блок-формы для спекания пенополистирольных блоков можно увидеть на сайте www.penolider.ru в разделе «видео-ролики».