基于PLC和觸摸屏的氣輔擠出氣體控制系統(tǒng)的設(shè)計*

董添文，陳　富，柳和生，黃益賓，章　凱，余　忠，顧　磊

（上饒師范學(xué)院，江西省塑料制備成型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西上饒 334001）

基于PLC和觸摸屏的氣輔擠出氣體控制系統(tǒng)的設(shè)計*

董添文，陳富，柳和生，黃益賓，章凱，余忠，顧磊

（上饒師范學(xué)院，江西省塑料制備成型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西上饒 334001）

基于PLC和觸摸屏設(shè)計了一套氣體控制系統(tǒng)。其包含的氣體加熱裝置為內(nèi)含加熱棒的容器。該容器上安裝有壓力與溫度傳感器。當(dāng)觸摸屏設(shè)置的目標(biāo)控制參數(shù)與檢測到的值存在偏差，可編程邏輯控制器（PLC）將進(jìn)行比例積分微分（PID）運(yùn)算與脈寬調(diào)制（PWM），并將轉(zhuǎn)換后的控制信號分別輸出到氣壓電磁閥與固態(tài)繼電器（控制加熱棒），最終實(shí)現(xiàn)氣體壓力與溫度的調(diào)節(jié)。經(jīng)試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)控制精度高，人機(jī)界面簡潔美觀，具有良好的可擴(kuò)展性，在聚合物氣輔擠出實(shí)驗(yàn)中運(yùn)行穩(wěn)定。

氣體控制；可編程邏輯控制器；觸摸屏；脈寬調(diào)制

氣體輔助擠出成型技術(shù)（以下簡稱氣輔擠出）通過在聚合物擠出成型模具中引入氣體，使聚合物熔體與模具內(nèi)表面之間形成一層氣墊，可改善模具內(nèi)的應(yīng)力集中，降低模具壓降，從而減小擠出脹大率，提高擠出產(chǎn)品質(zhì)量［1-2］。氣輔擠出中，氣體壓力與溫度是氣墊層的形成與穩(wěn)定的關(guān)鍵因素［3］。若氣體不進(jìn)行控制而輸入到模具，隨著氣泵中氣體的減少，氣壓逐漸減小，且氣體溫度低于聚合物熔體溫度，氣墊層將無法形成或不穩(wěn)定。目前氣體控制核心主要有三種［4-7］：智能儀表、工控機(jī)、可編程邏輯控制器（PLC）。智能儀表成本較低，但它屬于分離控制方式，無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合控制，后期不易維護(hù)。工控機(jī)與PLC能實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)整合，控制精度高，軟件資源豐富，后期維護(hù)或擴(kuò)展較容易。工控機(jī)成本相對PLC更高，因此筆者采用PLC進(jìn)行氣輔擠出氣體控制系統(tǒng)的設(shè)計，采用觸摸屏開發(fā)人機(jī)界面。

1 　系統(tǒng)工作原理

圖1為氣輔擠出機(jī)及氣體控制系統(tǒng)的實(shí)物照片。該系統(tǒng)控制精度高、體積小、成本低、易于維護(hù)和擴(kuò)展。圖2為氣輔擠出氣體控制系統(tǒng)的原理圖。氣體控制系統(tǒng)主要由虛線框內(nèi)的各部分組成。控制核心是PLC和模數(shù)（AD）、數(shù)模（DA）功能模塊［模擬量輸入輸出（IO）模塊］。觸摸屏用來設(shè)置和顯示控制參數(shù)。壓力和溫度傳感器是檢測元件（安裝在加熱容器輸出端），氣壓電磁閥和氣體加熱容器內(nèi)的加熱棒是執(zhí)行元件。氣源三聯(lián)體的作用是將從氣泵中輸出的高壓氣體進(jìn)行減壓和過濾雜質(zhì)處理，以保護(hù)電磁閥。在開始?xì)廨o擠出實(shí)驗(yàn)前，先將擠出機(jī)內(nèi)的聚合物加熱到設(shè)定溫度值，再開啟氣體控制系統(tǒng)。當(dāng)熔體和氣體一起進(jìn)入模具后，氣體在熔體表面形成氣墊層，氣膜出口是開放的（與大氣相連）。擠出過程中，氣體溫度和壓力是不斷變化的，一旦檢測元件檢測到氣壓和氣溫與觸摸屏設(shè)定的值存在偏差，PLC通過內(nèi)部的程序進(jìn)行PID運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換或者PWM調(diào)制后，分別輸出到電磁閥和固態(tài)繼電器（控制加熱棒），從而實(shí)現(xiàn)氣體壓力和溫度的調(diào)節(jié)。

圖1　 氣輔擠出機(jī)及氣體控制系統(tǒng)

圖2　 氣體控制系統(tǒng)原理圖（主要由虛線框內(nèi)的各部分組成）

2 　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖3是氣體控制系統(tǒng)硬件接線圖。

圖3　 氣體控制系統(tǒng)硬件接線圖

根據(jù)實(shí)際控制需要，選用了三菱FX1N-24MT型的PLC，該P(yáng)LC擁有直流輸入14點(diǎn)，晶體管輸出10點(diǎn)。為將來系統(tǒng)擴(kuò)展需要，選用FX2N-4AD，F(xiàn)X2N-2DA功能（擴(kuò)展IO）模塊。選用信捷觸摸屏作為上位機(jī)，它與PLC通過通訊線連接。選用廣州昆侖自動化公司的KLJYB-KO-HAG型氣體壓力傳感器，測量范圍是：0～1 MPa，輸出4～20 mA直流信號。選用SMC公司的ITV2050-012L氣壓電磁閥，輸入4～20 mA直流信號，輸出0.005～0.9 MPa。壓力傳感器將檢測的壓力線性轉(zhuǎn)換為4～20 mA的直流信號，PLC通過4AD模塊采集該電流信號并轉(zhuǎn)換成為0～1 000的數(shù)字信號進(jìn)行PID運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果為一個0～4 000的數(shù)字量。2DA模塊將該數(shù)字量轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號，輸出到電磁閥調(diào)節(jié)輸出氣壓。

選用PT100型熱電阻作為溫度傳感器，測溫范圍是：0～300℃。需要加一個變送器轉(zhuǎn)化為4～20 mA直流信號才能輸入到AD功能模塊。氣體溫度加熱元件為三支加熱棒，功率各500 W。加熱棒通過三相固態(tài)繼電器（SSR）與380 V電源連接，采用Y型接法。加熱棒被內(nèi)置在一個加熱容器內(nèi)（上海淶恒電熱器廠定制）。加熱容器上開有進(jìn)氣口、出氣口、氣壓檢測口、氣溫檢測口。變送器、固態(tài)繼電器、壓力傳感器、電磁閥均需要外接24 V直流電源。該系統(tǒng)摒棄了復(fù)雜的溫度控制策略［8-9］，系統(tǒng)開啟后，先通過氣體加熱容器上的保護(hù)開關(guān)進(jìn)行氣溫粗調(diào)到觸摸屏設(shè)置的溫度。氣輔擠出實(shí)驗(yàn)中，氣溫一旦有波動，PT100熱電阻通過變送器將所檢測的溫度轉(zhuǎn)換為4～20 mA的直流電流信號，該信號送4AD模塊轉(zhuǎn)換為0～1 000的數(shù)字量，PLC進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再通過PWM指令轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制信號，該信號通過Y0輸出到SSR對加熱棒的加熱時間進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)氣體溫度的精確控制。

3 　系統(tǒng)軟件與人機(jī)界面的設(shè)計

為適應(yīng)工業(yè)油污環(huán)境，選用信捷TH765-MT型觸摸屏［10-11］。該屏為7英寸65 536色800*480分辨率觸摸屏，支持RS422串口標(biāo)準(zhǔn)與三菱PLC進(jìn)行通訊。圖4為觸摸屏人機(jī)操作界面。

圖4　 觸摸屏人機(jī)操作界面

該界面采用“TouchWin”組態(tài)軟件在PC機(jī)上進(jìn)行設(shè)計，然后通過USB數(shù)據(jù)線下載到觸摸屏。系統(tǒng)開啟后，進(jìn)入主界面，點(diǎn)擊“歡迎進(jìn)入系統(tǒng)”則進(jìn)入壓力控制界面，通過按鈕可以在壓力控制界面、溫度控制界面，以及主界面之間相互切換。點(diǎn)擊進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入時，會彈出數(shù)字鍵盤進(jìn)行設(shè)定。通過“TouchWin”設(shè)計數(shù)據(jù)輸入框與PLC的數(shù)據(jù)寄存器相互關(guān)聯(lián)，保證了界面上顯示的數(shù)據(jù)與PLC寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)一致。圖5為氣體控制系統(tǒng)軟件流程圖［12］。根據(jù)該流程圖，采用PLC編程軟件GX Developer編寫梯形圖。首先通過觸摸屏進(jìn)行控制參數(shù)的設(shè)定；然后進(jìn)行AD采樣（見圖6），讀取溫度傳感器和壓力傳感器檢測到的信號，進(jìn)行氣體壓力的PID控制運(yùn)算（見圖6），PID控制參數(shù)的整定通過現(xiàn)場試湊完成；最后進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，輸出到氣壓電磁閥。

圖5　 氣體控制系統(tǒng)軟件流程圖

圖6　 AD采樣及氣體壓力控制PID指令

氣體溫度的控制主要采用PID運(yùn)算和脈寬調(diào)制指令PWM來實(shí)現(xiàn)。如圖7所示，脈沖周期為10 000 ms，PID運(yùn)算后的值（在圖7中D404，小于10 s）經(jīng)PWM進(jìn)行脈寬調(diào)制，調(diào)制后的脈沖信號經(jīng)數(shù)字量輸出口Y0輸出到固態(tài)繼電器，最后用來控制加熱棒。

圖7　 氣體溫度控制主要指令

4 　結(jié)語

采用PLC與觸摸屏結(jié)合的方式開發(fā)氣輔擠出氣體控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝調(diào)試方便。觸摸屏配套的組態(tài)軟件可以設(shè)計出界面美觀、功能強(qiáng)大的人機(jī)交互界面。PLC配套的GX Developer編程軟件、PLC中提供的PID運(yùn)算和PWM指令為氣體壓力和溫度的控制提供了極大的便利。本氣體控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了氣體壓力與溫度的自動控制，控制精度高，運(yùn)行穩(wěn)定，提高了工作效率。本系統(tǒng)在氣輔擠出實(shí)驗(yàn)中運(yùn)行情況良好。

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Design of Gas Control System for Air-Assisted Extrusion Based on PLC and Touch Screen

Dong Tianwen， Chen Fu， Liu Hesheng， Huang Yibin， Zhang Kai， Yu Zhong， Gu Lei
（Shangrao Normal University， Jiangxi Province Key Laboratory of Polymer Preparation and Processing， Shangrao 334001， China）

A gas control system was designed based on programmable logic controller （PLC） and touch screen. Gas heating device within the system was a container with a heating rod. A pressure sensor and a temperature sensor were fixed in the container. When the values detected by the sensors deviate from the values set in touch screen，instructions such as proportion integral derivative （PID） and pulse width modulation （PWM） would be executed by PLC. Thus，it send control signals to a electro-pneumatic valve or a solid state relay that was used to control the heating rod. As a result，the gas pressure and temperature would be adjusted. The test result show that the system has high control precision，simple and beautiful man-machine interface and good expansibility. It runs stably in the experiment of polymer gas -assisted extrusion.

gas control；programmable logic controller；touch screen；pulse width modulation

TQ320.5+

A

1001-3539（2016）09-0075-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.09.016

*江西省科技廳科技計劃項(xiàng)目（20141BBE50014），江西省教育廳科技項(xiàng)目（GJJ14718）

聯(lián)系人： 董添文，博士，副教授，主要從事聚合物成型理論及設(shè)備開發(fā)工作

2016-07-02