基于西門子PLC的螺桿擠塑機控制系統設計

沙洲職業工學院電信系 趙媛媛

1.引言

螺桿擠塑機控制系統的主要作用，是在擠塑過程中實現對螺桿轉速、機筒溫度和熔體壓力等工藝參數的控制。塑料原料從料斗加入料筒中，隨著螺桿的轉動將其向前輸送，塑料在向前移動的過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，塑化后的熔料在壓力的作用下，通過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體，最后冷卻定型為玻璃態，這樣就得到具有一定強度、剛度、幾何形狀和尺寸精度的塑料制品。

目前，擠塑機主要以儀表控制系統、PLC控制系統為主要選擇。兩者的功能分別為：溫度控制中儀表控制系統可以實現開關量的控制，也可以采用智能儀表實現簡單比率控制；而PLC控制系統可以通過模擬量通信實現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現閉環控制；前者的測試功能只有顯示功能，而后者可以實現測試單元的串口通信。本設計通過對兩個系統的控制理解將其結合用于一個控制電柜中，實現擠塑機控制系統的不同功能。

2.系統設計概述

本控制系統以PLC作為核心控制單元，可完成主機與輔機的啟動，停止，電機轉速的調節，溫度調整等控制。前臺由WINCC組態軟件完成人機交互，后臺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進行計算，觸摸屏接受和發送用戶指令信息，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作，最終完成擠塑機的工作過程。

主回路主要包括變壓、故障、變頻器、主機喂料和輔機的啟動停止等控制。首先進線380V，通過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30W變壓器。主回路通電后，解除相應的故障，使用中間繼電器的常開和常閉觸點控制主機的啟動與故障，若有故障發生時，繼電器吸合常閉變常開，串聯到啟動繼電器線圈下，使主機無法啟動，形成故障與啟動的互鎖。當故障解除后主控制通過按鈕接通啟動主機運行。同時啟動喂料，真空泵，熱油泵等。將主機和喂料等輔機的常開啟動觸點并聯到同一個繼電器上，此繼電器就為同步繼電器，當此繼電器得電后使主機，喂料或與其他輔機同時運行，從而實現的同步啟動和同步停止。

控制回路中包括冷卻和加熱控制。該回路中通過轉換開關接通溫控表的電源線，由于RKC默認最大值400，默認值0，所以當上電后，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，穩定出膠量，同時提高產品質量；但在料斗處的冷卻，一是為了加強對固體物料的輸送作用，防止因升溫使塑料粒發粘堵塞料口，二是保證傳動部分正常工作。加熱采用短接熱電偶的方法實現，溫度傳感器會將常溫顯示到儀表上，也能從控溫儀表讀取主機各段的實際溫度。這里必須要求溫控儀表的精度與系統配合好，使整個主機溫度達到各種塑料的擠塑溫度的要求。一般從0狀態開始上升，漸漸處于加熱中，此時冷卻繼電器斷開，加熱繼電器閉合。熱電偶將溫度傳到溫度傳感器，當低于設定的溫度時，加熱繼電器會吸合，接通接觸器促使加熱。控制流程如圖1所示。

另外控制中少不了變頻器的幫助，包括運行、停止，正轉、反轉，微動等運行狀態。將啟動信號給變頻器后，變頻器運行，相應的面板顯示頻率。這里的調速都是通過改變電壓來進行的，通過一個電位器控制電機的運轉速度。

圖1 溫度控制流程圖

圖2 溫度控制子程序

3.系統硬件設計

擠塑機組的電氣控制大致分為傳動控制和溫度控制兩大部分，實現對擠塑工藝包括溫度、壓力、螺桿轉數、螺桿冷卻、機筒冷卻、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上從空盤到滿盤的恒張力收線控制。

本系統所用的PLC是根據工程需要選擇的，是整個控制柜核心控制單元，采用的是微型西門子PLC S7-200系列，它適用于一系列機械設備的制造或用作獨立的解決方案，相對與三菱其指令較少。其次西門子的模擬量模塊價格便宜，程序簡單。而本系統中兼有溫控、報警系統，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、可靠性高，不需要大量的活動元件和連線電子元件，不會占用電控柜的空間；它還具有編程簡單，操作方便，維修容易，一般不容易發生錯誤操作等優點。最主要的一點是S7-200一直以來支持強大的浮點運算，編程軟件直接支持小數點輸入輸出。本系統的電路由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，模擬量信號經隔離變送器或直接接至端子排。電氣控制柜內還配有空氣開關、斷路器、各種繼電器、接觸器、電抗器、變壓器、變頻器，以及用于柜內散熱的風機等。除此之外，本系統還安裝了UPS不間斷電源，對供電電源突然跳閘以及突發性停電等因素造成系統不能正常工作時，UPS起到保護功能，持續其在線時間內的系統正常供電，給用戶檢修以及應對系統故障的準備工作提供了時間保障。

4.軟件設計

S7-200PLC作為整個控制系統的核心部分，通過自帶的24點I/O口對料斗開關、冷卻裝置以及變頻器進行控制。四段加熱器通過固態繼電器與EM222數字擴展模塊的輸出端相連，加熱器溫度檢測通過溫度傳感器傳送到EM231模擬輸入輸出模塊的輸入端，通過PID控制算法實現一個完整的溫度控制環節。EM232擴展模擬輸出模塊的輸出端輸出到變頻器的外部模擬信號接收端，通過變頻器調節電動機傳遞，實現擠塑機的電機控制。

PLC主控系統內部的A/D將送進來的電壓信號轉化為西門子S7-200PLC可識別的數字量，然后PLC將系統給定的溫度值與反饋回來的溫度值進行比較并經過PID運算處理后，給固態繼電器輸入端一個控制信號控制固態繼電器的輸出端導通與否從而使加熱爐開始加熱或停止加熱。

本系統的工作過程為：把觸摸屏中的設定值通過通信線路傳輸到PLC，同時機筒和模頭上的當前溫度通過熱電偶傳送到溫控模塊進行處理，再由溫控模塊傳送到PLC中。當溫度值與設定植在PLC中進行數值比較后，如果當前值低于設定值，PLC就發出指令使PLC內部相應的熱電偶得電工作，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。在加熱過程中，熱電偶不斷地把當前溫度傳送到溫控模塊，溫控模塊也不斷地把數值傳送到PLC中進行數值比較。經過一段時間的加熱后，如果當前溫度值高于設定值，PLC就發出指令，使得PLC內部的繼電器、接觸器失電不工作。由于接觸器的斷開，使得加熱器斷電不加熱。對有冷卻風機，PLC同時發出指令使風機通電工作。通過風機冷卻，把機筒的當前溫度降低。當機筒溫度達到設定值以后，PLC再次發出指令，使冷卻風機斷電停止工作。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、喂料轉速等模擬量需要給出。

5.總結

螺桿擠塑機控制系統主要包括加熱系統、冷卻系統及參數測量等系統，主要由西門子可編程控制器、各種低壓電器、儀表和執行機構（即控制屏和操作臺）組成。其主要作用是控制和調節主輔機的拖動電機，輸出符合工藝要求的轉速和功率，檢測和調節擠塑機中塑料的溫度、壓力、流量，從而實現對整個機組的自動控制。本控制系統已經應用于實際生產，并在客戶的反饋中不段改進系統，逐步實現更高的控制要求。

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