基于PLC的塑料擠出機智能控制系統設計

劉玲玲，劉一揚，李保強

（1.鄭州財經學院 機電工程系，河南 鄭州 450044；2.機械工業第六設計研究院有限公司 河南 鄭州 450007）

塑料擠出機是專業生產塑料產品的設備。塑料通過擠出機塑化成均勻的熔體，在塑化中建立的壓力作用下，通過螺桿轉動連續地定溫、定量、定壓地擠出機頭輸出成品。大部分熱塑性塑料均采用此方法,其中螺桿擠出機的物料所受到的剪切力較均勻，螺桿的輸送能力較大，擠出量穩定，物料在機筒內停留的時間長且混合均勻，因而應用較為廣泛。目前國內大多數塑料擠出機均采用分離儀表和電熱圈分區加熱的方案實現溫度控制[1]。這種方式雖然具有價格優勢，但是在控制效果上有很多限制，主要體現在對分離單元單獨控制，整個系統無法實施綜合控制。針對這種情況，研發了一種基于PLC的智能溫度控制和順序控制系統，該系統控溫精度高，硬件結構簡單，解決了傳統控制系統的不足。

1 工作原理及方案綜述

1.1 塑料擠出機工藝過程

螺桿式塑料擠出機由加料斗、料筒、螺桿和機頭等部分組成，在正常工作狀態由加料斗借助轉動的螺桿把原料送至已加熱到指定溫度的主機螺桿料筒中，原料熔化成流體狀態[2]。料筒一般分為4～7個溫度區，各分區的溫度設定各不相同，機頭可分為3～5個溫度區。主機螺桿啟動后，在預定的轉速下対筒體內的原料進行攪拌、剪切、混煉、塑化，并不斷隨之前進，隨后在機頭處通過口模成型輸出成品。圖1所示為塑料擠出機的結構圖。塑料擠出機的工藝流程是一種典型的順序動作控制過程，擠出機首先要對筒體進行加熱，當筒體達到預定溫度（150～1800℃）時，依次啟動潤滑泵→冷卻泵→真空泵→主電機→主機預調速→加料→加料調速→主機定速。潤滑泵不啟動，主機被鎖定，不能啟動，主機不啟動給料被鎖定，不能啟動。

1.2 塑料擠出機控制系統方案

基于PLC的塑料擠出控制系統有兩部分組成：溫度控制和壓力控制。其中溫度控制主要是對螺桿料筒的調節，整個筒體分為七個區，每個區有二組加熱片包裹，以加熱區為控制單元，每個區可獨立開、關，設定恒溫點，上下限，偏差值，雙輸出（開關量）控制。溫度到達上限時斷開加熱片接通冷卻電磁閥。溫度傳感器選用K型熱電偶（溫度上限4000 C）。壓力控制有壓力傳感檢測裝置構成，在機頭位置裝有熔體壓力傳感器，當物料過臟或有雜物堵塞機頭網孔時，壓力會明顯增大，超過給定壓力時控制系統給出報警信號并輸出開關量信號，停止主機工作。

2 塑料擠出機控制系統硬件設計

2.1 塑料擠出機控制系統硬件結構

圖1 塑料擠出機結構圖Fig.1 Structure diagram of the plastic extruder

該控制系統的硬件由人機界面HMI、PLC、溫度壓力采集、開關量擴展、變頻器控制等幾部分組成。人機界面采用西門子公司10寸觸摸屏MP277[3-4]；PLC采用西門子公司的S7-200系列，中央處理器CPU226；溫度檢測部分采用天宏工控的熱電偶采集模塊；壓力檢測部分采用天宏工控的模擬量采集模塊；變頻器采用FRENIC5000G11S富士變頻器，中間需要協議轉換器將PPI協議轉換為富士協議。開關量擴展采用八路繼電器輸出擴展模塊。

塑料擠出機控制系統的硬件結構圖如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

圖3 西門子PLC顯示界面Fig.3 Interface chart of the siemens PLC

2.2 塑料擠出機的溫度控制

溫度控制方法采用PID控制，S7－200系列PLC內部集成有PID控制模塊[5]，本系統7個區的溫度控制采用PLC內部的7個PID控制指令。控制指令由指令向導生成，并且利用PLC內部的PID自整定控制面板對控制系統進行整定。

2.3 塑料擠出機的人機界面

本控制系統的人機界面采用西門子10寸觸摸屏MP277。人機界面能實現系統的狀態顯示和基本操作。狀態顯示部分見圖3所示，主要包括：1)1～7加熱區的工作狀態（運行、停止）；2)主機的工作狀態（運行、停止）；3)加料電機的工作狀態（運行、停止）；4)冷卻泵的工作狀態（運行、停止）；5)真空泵的工作狀態（運行、停止）；6)電磁閥的工作狀態（運行、停止）；7)熔體壓力的工作狀態（正常、報警）；8)主機速度調節及顯示；9)加料電機的速度調節及顯示等9個環節。

操作部分包括：1)控制電源的啟動、斷開。2)冷卻泵的啟、停操作（運行、停止）。3)真空泵的啟、停操作（運行、停止）。4)主機的啟、停操作（運行、停止）。5)給料電機的啟、停操作（運行、停止）。6)主機調速功能；7)主機轉速顯示；8)加料調速功能；9)加料轉速顯示。另外還包括參數設置界面見圖和幫助界面。

3 塑料擠出機控制系統的軟件設計

塑料擠出機的工藝流程是一種典型的順序動作過程[6]，擠出機首先要對筒體進行加熱，當筒體達到預定溫度（150～1 800℃）時，依次啟動潤滑泵→冷卻泵→真空泵→主機啟動→主機預調速→加料啟動→加料調速→主機定速。潤滑泵不啟動，主機被鎖定，不能啟動，主機不啟動給料被鎖定，不能啟動。軟件程序流程圖如圖4所示。

4 結束語

系統調試和運行結果表明，采用SIMATIC S7－200系統能較好的完成塑料擠出機的控制。系統結構合理，硬件運行可靠，抗干擾能力強，軟件模塊清晰，功能完善，性能優良，具有良好的人機對話功能，很好地實現了塑料擠出機的順序控制、溫度控制和管理控制的一體化，達到了預期目標，具有很大的推廣價值。

圖4 塑料擠出機控制系統程序流程圖Fig.4 Flow chart of the software design

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