基于西門子PLC的螺桿擠塑機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沙洲職業(yè)工學(xué)院電信系 趙媛媛

1.引言

螺桿擠塑機(jī)控制系統(tǒng)的主要作用，是在擠塑過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿轉(zhuǎn)速、機(jī)筒溫度和熔體壓力等工藝參數(shù)的控制。塑料原料從料斗加入料筒中，隨著螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)將其向前輸送，塑料在向前移動(dòng)的過(guò)程中受到料筒的加熱、螺桿的剪切和壓縮作用，使塑料由粉狀或粒狀逐漸融化為粘流態(tài)，塑化后的熔料在壓力的作用下，通過(guò)分流板和一定形狀的口模成為截面與口模形狀相仿的高溫連續(xù)體，最后冷卻定型為玻璃態(tài)，這樣就得到具有一定強(qiáng)度、剛度、幾何形狀和尺寸精度的塑料制品。

目前，擠塑機(jī)主要以儀表控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)為主要選擇。兩者的功能分別為：溫度控制中儀表控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量的控制，也可以采用智能儀表實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單比率控制；而PLC控制系統(tǒng)可以通過(guò)模擬量通信實(shí)現(xiàn)PID（比率-積分-微分控制）控制；前者壓力控制顯示熔體壓力，而后者顯示熔體壓力并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；前者的測(cè)試功能只有顯示功能，而后者可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試單元的串口通信。本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)的控制理解將其結(jié)合用于一個(gè)控制電柜中，實(shí)現(xiàn)擠塑機(jī)控制系統(tǒng)的不同功能。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

本控制系統(tǒng)以PLC作為核心控制單元，可完成主機(jī)與輔機(jī)的啟動(dòng)，停止，電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，溫度調(diào)整等控制。前臺(tái)由WINCC組態(tài)軟件完成人機(jī)交互，后臺(tái)由西門子可編程控制器控制。由溫度傳感器采集溫度送到PLC進(jìn)行計(jì)算，觸摸屏接受和發(fā)送用戶指令信息，再由PLC將信息送往變頻器和繼電器配合完成電氣控制的動(dòng)作，最終完成擠塑機(jī)的工作過(guò)程。

主回路主要包括變壓、故障、變頻器、主機(jī)喂料和輔機(jī)的啟動(dòng)停止等控制。首先進(jìn)線380V，通過(guò)600W的變壓器變壓為220V，分兩檔分別給主回路，次回路。若有+24V的故障板就要另加一個(gè)30W變壓器。主回路通電后，解除相應(yīng)的故障，使用中間繼電器的常開(kāi)和常閉觸點(diǎn)控制主機(jī)的啟動(dòng)與故障，若有故障發(fā)生時(shí)，繼電器吸合常閉變常開(kāi)，串聯(lián)到啟動(dòng)繼電器線圈下，使主機(jī)無(wú)法啟動(dòng)，形成故障與啟動(dòng)的互鎖。當(dāng)故障解除后主控制通過(guò)按鈕接通啟動(dòng)主機(jī)運(yùn)行。同時(shí)啟動(dòng)喂料，真空泵，熱油泵等。將主機(jī)和喂料等輔機(jī)的常開(kāi)啟動(dòng)觸點(diǎn)并聯(lián)到同一個(gè)繼電器上，此繼電器就為同步繼電器，當(dāng)此繼電器得電后使主機(jī)，喂料或與其他輔機(jī)同時(shí)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)的同步啟動(dòng)和同步停止。

控制回路中包括冷卻和加熱控制。該回路中通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接通溫控表的電源線，由于RKC默認(rèn)最大值400，默認(rèn)值0，所以當(dāng)上電后，冷卻繼電器吸合，從而接通接觸器，接觸器下端的冷卻電機(jī)工作。螺桿冷卻主要采用中心水冷，目的是增加物料固體輸送率，穩(wěn)定出膠量，同時(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量；但在料斗處的冷卻，一是為了加強(qiáng)對(duì)固體物料的輸送作用，防止因升溫使塑料粒發(fā)粘堵塞料口，二是保證傳動(dòng)部分正常工作。加熱采用短接熱電偶的方法實(shí)現(xiàn)，溫度傳感器會(huì)將常溫顯示到儀表上，也能從控溫儀表讀取主機(jī)各段的實(shí)際溫度。這里必須要求溫控儀表的精度與系統(tǒng)配合好，使整個(gè)主機(jī)溫度達(dá)到各種塑料的擠塑溫度的要求。一般從0狀態(tài)開(kāi)始上升，漸漸處于加熱中，此時(shí)冷卻繼電器斷開(kāi)，加熱繼電器閉合。熱電偶將溫度傳到溫度傳感器，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定的溫度時(shí)，加熱繼電器會(huì)吸合，接通接觸器促使加熱?？刂屏鞒倘鐖D1所示。

另外控制中少不了變頻器的幫助，包括運(yùn)行、停止，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，微動(dòng)等運(yùn)行狀態(tài)。將啟動(dòng)信號(hào)給變頻器后，變頻器運(yùn)行，相應(yīng)的面板顯示頻率。這里的調(diào)速都是通過(guò)改變電壓來(lái)進(jìn)行的，通過(guò)一個(gè)電位器控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

圖1 溫度控制流程圖

圖2 溫度控制子程序

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

擠塑機(jī)組的電氣控制大致分為傳動(dòng)控制和溫度控制兩大部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)擠塑工藝包括溫度、壓力、螺桿轉(zhuǎn)數(shù)、螺桿冷卻、機(jī)筒冷卻、制品冷卻和外徑的控制，以及牽引速度、整齊排線和保證收線盤(pán)上從空盤(pán)到滿盤(pán)的恒張力收線控制。

本系統(tǒng)所用的PLC是根據(jù)工程需要選擇的，是整個(gè)控制柜核心控制單元，采用的是微型西門子PLC S7-200系列，它適用于一系列機(jī)械設(shè)備的制造或用作獨(dú)立的解決方案，相對(duì)與三菱其指令較少。其次西門子的模擬量模塊價(jià)格便宜，程序簡(jiǎn)單。而本系統(tǒng)中兼有溫控、報(bào)警系統(tǒng)，需要的模塊比較多，所以西門子較為適合。再者其體積小，速度快、功能強(qiáng)、可靠性高，不需要大量的活動(dòng)元件和連線電子元件，不會(huì)占用電控柜的空間；它還具有編程簡(jiǎn)單，操作方便，維修容易，一般不容易發(fā)生錯(cuò)誤操作等優(yōu)點(diǎn)。最主要的一點(diǎn)是S7-200一直以來(lái)支持強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算，編程軟件直接支持小數(shù)點(diǎn)輸入輸出。本系統(tǒng)的電路由PLC的輸入端全部接至端子排，輸出端全部輸出至中間繼電器，模擬量信號(hào)經(jīng)隔離變送器或直接接至端子排。電氣控制柜內(nèi)還配有空氣開(kāi)關(guān)、斷路器、各種繼電器、接觸器、電抗器、變壓器、變頻器，以及用于柜內(nèi)散熱的風(fēng)機(jī)等。除此之外，本系統(tǒng)還安裝了UPS不間斷電源，對(duì)供電電源突然跳閘以及突發(fā)性停電等因素造成系統(tǒng)不能正常工作時(shí)，UPS起到保護(hù)功能，持續(xù)其在線時(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)正常供電，給用戶檢修以及應(yīng)對(duì)系統(tǒng)故障的準(zhǔn)備工作提供了時(shí)間保障。

4.軟件設(shè)計(jì)

S7-200PLC作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，通過(guò)自帶的24點(diǎn)I/O口對(duì)料斗開(kāi)關(guān)、冷卻裝置以及變頻器進(jìn)行控制。四段加熱器通過(guò)固態(tài)繼電器與EM222數(shù)字?jǐn)U展模塊的輸出端相連，加熱器溫度檢測(cè)通過(guò)溫度傳感器傳送到EM231模擬輸入輸出模塊的輸入端，通過(guò)PID控制算法實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的溫度控制環(huán)節(jié)。EM232擴(kuò)展模擬輸出模塊的輸出端輸出到變頻器的外部模擬信號(hào)接收端，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)傳遞，實(shí)現(xiàn)擠塑機(jī)的電機(jī)控制。

PLC主控系統(tǒng)內(nèi)部的A/D將送進(jìn)來(lái)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為西門子S7-200PLC可識(shí)別的數(shù)字量，然后PLC將系統(tǒng)給定的溫度值與反饋回來(lái)的溫度值進(jìn)行比較并經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算處理后，給固態(tài)繼電器輸入端一個(gè)控制信號(hào)控制固態(tài)繼電器的輸出端導(dǎo)通與否從而使加熱爐開(kāi)始加熱或停止加熱。

本系統(tǒng)的工作過(guò)程為：把觸摸屏中的設(shè)定值通過(guò)通信線路傳輸?shù)絇LC，同時(shí)機(jī)筒和模頭上的當(dāng)前溫度通過(guò)熱電偶傳送到溫控模塊進(jìn)行處理，再由溫控模塊傳送到PLC中。當(dāng)溫度值與設(shè)定植在PLC中進(jìn)行數(shù)值比較后，如果當(dāng)前值低于設(shè)定值，PLC就發(fā)出指令使PLC內(nèi)部相應(yīng)的熱電偶得電工作，并使接觸器得電工作。由于接觸器的閉合通電，使得加熱器通電加熱。在加熱過(guò)程中，熱電偶不斷地把當(dāng)前溫度傳送到溫控模塊，溫控模塊也不斷地把數(shù)值傳送到PLC中進(jìn)行數(shù)值比較。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的加熱后，如果當(dāng)前溫度值高于設(shè)定值，PLC就發(fā)出指令，使得PLC內(nèi)部的繼電器、接觸器失電不工作。由于接觸器的斷開(kāi)，使得加熱器斷電不加熱。對(duì)有冷卻風(fēng)機(jī)，PLC同時(shí)發(fā)出指令使風(fēng)機(jī)通電工作。通過(guò)風(fēng)機(jī)冷卻，把機(jī)筒的當(dāng)前溫度降低。當(dāng)機(jī)筒溫度達(dá)到設(shè)定值以后，PLC再次發(fā)出指令，使冷卻風(fēng)機(jī)斷電停止工作。溫度控制子程序如圖2所示。除了溫度模塊外，還有熔體壓力、牽引電流、喂料電流、喂料轉(zhuǎn)速等模擬量需要給出。

5.總結(jié)

螺桿擠塑機(jī)控制系統(tǒng)主要包括加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及參數(shù)測(cè)量等系統(tǒng)，主要由西門子可編程控制器、各種低壓電器、儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（即控制屏和操作臺(tái)）組成。其主要作用是控制和調(diào)節(jié)主輔機(jī)的拖動(dòng)電機(jī)，輸出符合工藝要求的轉(zhuǎn)速和功率，檢測(cè)和調(diào)節(jié)擠塑機(jī)中塑料的溫度、壓力、流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)組的自動(dòng)控制。本控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，并在客戶的反饋中不段改進(jìn)系統(tǒng)，逐步實(shí)現(xiàn)更高的控制要求。

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