基于PLC、變頻器控制的SJS90型單螺桿擠出機

郭 琳 任 娟 顧 康

（沙洲職業工學院，張家港 215600）

SJ系列單螺桿塑料擠出機是一種將塑性塑料擠出成型的機器，通過調換各種形式的機頭（口模、芯棒）與相應的輔機配套使用，即可將軟、硬聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等原料加工成管、棒、帶形、吹塑薄膜、拉線、吹瓶及包制電線、電纜的絕緣層。

1 機械結構及特點

SJS90單螺桿塑料擠出機主要由螺桿、料筒、傳動系統、加熱、冷卻系統、加料裝置、電氣控制裝置等部分組成。

1.1 螺桿

螺桿是完成塑料輸送和塑化的關鍵零件，通過它的旋轉把塑料向前推行，達到壓實、熔融、混煉均化的目的。

螺桿螺紋由不同功能段分段組成，以達到更好地輸送、壓實、混煉及塑化效果。本生產線螺桿采用屏障順行和方釘混煉頭強力塑化型螺桿，塑化效果好，產量高。螺桿材料選用優質氮化鋼（38CrMoAlA），精加工氮化精磨而成，具有較高的抗腐蝕和耐磨能力，使用壽命長。

1.2 料筒

料筒是與螺桿配對的零件，它是由氮化鋼制成，內孔經氮化處理，以達到較高的硬度和較好的耐磨性，并具有一定的耐腐蝕能力，在它的外表面有四組加熱器，熱量由料筒傳給塑料，使塑料熔融塑化，在裝加熱器料筒的各個部位共設有四個測溫點，可在塑料加工溫度范圍內自動控制。

1.3 傳動系統

傳動系統要求能在選定工藝條件下，使螺桿以特定的扭矩均勻旋轉，以完成螺桿對塑料的塑化和輸送。為適應各種規格塑料制品的生產要求，螺桿應具有不同的轉速。本機采用Z4直流電動機通過聯軸器直接驅動齒輪箱，并采用歐陸直流調速器實現螺桿轉速在10-120r/min范圍內無級調速。

1.4 加熱、冷卻系統

隨著螺桿的轉速、擠出壓力、外加熱以及擠出機周圍介質溫度的變化，料筒中物料的溫度也會發生相應變化。為使塑料原料始終在其加工工藝所要求的溫度范圍內擠出，設備設置有加熱、冷卻系統。本機采用加熱圈加熱，通過料筒傳遞給塑料；冷卻采用風機空氣冷卻，加熱和冷卻由PLC自動控制。

1.5 加料裝置

加料裝置主要包括料斗和真空吸料機，可完成自動加料過程。

1.6 電氣控制裝置

電氣控制裝置包括可編程控制器、直流調速、變頻器、人機界面等，可完成各區溫度采集及控制、各個電機的速度及啟停控制、運行狀態顯示、故障診斷等功能。

2 控制電路設計

2.1 硬件組成

SJS90單螺桿塑料擠出機控制系統硬件框圖如圖1所示。控制系統采用S7-200型西門子PLC作控制核心，完成對系統整個運行過程的控制；人機界面采用西門子Smart 1000IE，完成參數設置、機頭及料筒的溫度設置、主機運行監視、實時溫度顯示等；螺桿采用Z4-250-Z1直流電動機驅動，其啟停及轉速由歐陸直流調速590 SSD實施控制；兩個輸出擴展模塊CTS7-222和兩個測溫模塊CTS7-231用于機頭和料筒的加熱控制和溫度測量；模擬量模塊6ES7-232驅動變頻器（兩只），分別用于色標擠出電機和牽引電機轉速的控制。

圖1 控制系統硬件框圖

2.2 主要控制電路接線

2.2.1 PLC外部接線

SJS90單螺桿塑料擠出機采用西門子PLC S7-200 6ES7 214-2BD23-0XB0對整個生產過程實施控制，該模塊設置輸入點14個，用于主機故障信號、牽引機故障信號和急停信號的輸入；輸出點10個，用于料筒1-料筒4、機頭1-機頭6的加熱控制；模擬量輸入/輸出點各1個，用于主機轉速的給定和主機工作電流的測量，如圖2所示。

輸出模塊CTS7 222兩個共16輸出點，用于色標區加熱、部分機頭區加熱、料筒區冷卻、牽引機運行、色標電機運行、主機風機運行的控制。

圖2 PLC外部接線

測溫模塊CTS7 231三個共24個測溫點，用于料筒、機頭及色標各個區域的溫度測量。

模擬量輸出模塊CTS7 232一個，用于色標電機及牽引電機轉速的輸出控制。

2.2.2 直流調速及變頻器外部接線

擠出機要求螺桿以恒定的轉速、恒定的壓力將融化的物料推入模具。SJS90單螺桿塑料擠出機的螺桿采用Z4-250-Z1型185kW直流電機驅動，具有啟動轉矩大、調速性能好的優點，電機的控制采用歐陸直流調速590 SSD，可實現螺桿轉速在10-120r/min范圍內的無級調速，其外部接線如圖4所示。

為保證牽引電機轉速和色標擠出電機轉速同步，對這兩臺電動機的速度采用變頻控制。設備選用ABB ACS 550型變頻器，它們不僅性價比高，且配有梳型配線蓋板，接線更方便，更換同系列變頻器時，不需拆線，只要把原來變頻器的控制端子安裝到新變頻器上即可。通過監視器還可以使各部件在接近使用壽命前自行診斷并報警輸出。

兩臺變頻器的外部接線如圖3所示，圖中M1為色標電機，M2為牽引電機。

3 程序設計及參數設置

3.1 控制程序

單螺桿塑料擠出機正常工作時，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料筒中，原料受熱熔化成流體狀態，在螺桿作用下完成攪拌、剪切、混煉、塑化并隨之不斷前進，在機頭處通過口模成型輸出成品。

圖3 直流調速及變頻器接線

SJS90單螺桿塑料擠出機的工藝流程是一種典型的順序動作控制過程，設備首先要對筒體進行加熱，筒體溫度達到設定值（180～220°C）并保溫一段時間（90min以上）后，依次進行主機及色標電機、牽引電機的預調速—啟停控制—定速。控制過程中，若主機風機未啟動，則鎖定主機，不能啟動（控制電路實現），控制流程如圖4所示。

3.2 參數設置

參數設置主要是通過觸摸屏即人機界面完成，本設備中人機界面的設計包括三層：開機時的歡迎及語言選擇界面、主菜單界面、溫度設置及顯示界面、主機參數設置及主機監視界面，可實現對全線各區溫度的設置及顯示、主電機的參數設置及運行狀態顯示等功能。

圖4 控制流程圖

4 結語

設備的運行過程采用PLC、變頻器控制，擠出能力300kg/h，可適用于軟、硬聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等不同原料的加工，產品外形根據機頭模具的不同可為管、棒、帶形、吹塑薄膜、拉線、吹瓶及包制電線、電纜的絕緣層等。本設備投入市場后性能穩定，操作便捷、產品質量符合國家相關標準，得到客戶的一致好評。