基于PLC和HMI的擠出機經濟型控制系統

趙宗華 李永平

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)

基于PLC和HMI的擠出機經濟型控制系統

趙宗華 李永平

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)

利用經濟型PLC、溫度控制器和HMI設計塑料生產設備擠出機的控制系統。實際應用表明：該系統安全可靠，滿足設計要求，節約了生產成本。

PLC 雙螺桿擠出機 控制系統

合成材料塑料的問世，使得以塑代鋼、以塑代有色金屬及以塑代水泥等產品廣泛地應用于石化、機械、農業、建材、包裝、電子及國防等領域，成為最主要的原料之一[1]。而擠出成型是塑料加工的最主要形式，因此研發塑料擠出成型技術與設備具有重要意義。

雙螺桿擠出機是塑膠加工機械中的重要設備，不單用于高分子材料的擠出成型和混煉加工，其用途已拓寬到食品、飼料、電極、炸藥及紙漿等領域[2]。擠出機控制系統的主要作用是在擠出過程中實現對螺桿轉速、機筒溫度及熔體壓力等參數的控制。擠出機控制系統主要由電氣、儀表和執行機構組成，主要作用是實現控制主輔機的電機拖動，滿足工藝所需的轉速和功率，并保證主輔機協調運行；控制主輔機的溫度、壓力、流量和產品質量；實現整個機組的自動控制；進行數據采集和處理，實現閉環控制。

目前，常規繼電器控制方法覆蓋面廣，對維護人員的技術水平要求不高，但是實現某些復雜邏輯時比較麻煩，而且成本也會增加。PLC系統則可以通過模擬量通信實現PID控制，PLC控制器具有可靠性高、抗干擾能力強、功能強大靈活及價格便宜的特點，PLC系統不但可以顯示熔體壓力還實現了閉環控制。目前擠出機自控系統以S7-200/S7-300 PLC系統為主，但其價格較高且售后周期長增加了生產成本。鑒于此種情況，筆者選用經濟型PLC設計擠出機控制系統，在降低生產成本的同時提升擠出機的智能化水平。

1 系統架構

圖1為雙螺桿擠出機示意圖，主要由傳動系統、筒體冷卻與加熱系統、機頭熔體壓力控制系統，以及其他輔機系統組成。

圖1 雙螺桿擠出機示意圖

如圖2所示，雙螺桿擠出機經濟型控制系統主要分為現場數據采集、數據處理和人機界面(HMI)顯示三大部分。其電儀控制系統以PLC為核心，配置直流調速器或交流變頻器為調速單元。根據雙螺桿擠出機的工藝要求，在生產過程中，對其螺桿轉速控制和筒體溫度控制要求很高，因此這兩部分也是電儀控制系統的重要單元。

雙螺桿擠出機經濟型控制系統選用英國PARK公司生產的590直流調速器作為其調速單元，完成雙螺桿擠出機主電機調速的過程控制功能。選用CP1H PLC實現各邏輯控制，以及各種非調速電機(輔機)的啟停控制。同時利用CP1H的模擬量端口實現對由壓力傳感器采集到的機頭熔體壓力的控制。選用DTE-2DS系列雙通道溫度控制器實現對筒體溫度的采集和控制。

圖2 雙螺桿擠出機經濟型控制系統架構

軟件配置：下位機采用CX-Programmer Version7.0，上位機采用NBZ-Designer。

圖3 直流調速器接線示意圖

2 系統設計

2.1 基本原理

雙螺桿擠出機經濟型控制系統的電機Z4280-21和直流調速器(591P/0380/500)的接線如圖3所示，進線接在L1、L2、L3端子，在主回路上安裝快速熔斷器和交流接觸器用以保護調速器，電機的電樞端子連接到A+、A-，勵磁接到D3、D4端子，交流接觸器接到D5、D6端子。A1、A4端子輸入0～10V電壓，用于電機速度調節；A7、A8模擬量輸出端子用于顯示主機電流和螺桿轉速[3]。

筒體溫度控制接線如圖4所示，臺達DTE-2DS溫度控制器INA/INB接收溫度傳感器(K型熱電偶)毫伏信號，實現對溫度的精確采集。對采集到的實際溫度和設定溫度進行比較，如果實際溫度低于設定溫度，那么溫度控制器OUT1/OUT2端口輸出24V(DC)信號觸發加熱固態繼電器，對筒體進行加熱升溫。反之，SUB1/SUB2端口輸出24V(DC)信號觸發冷卻固態繼電器，冷卻電磁閥打開，冷卻水進入筒體，對筒體進行冷卻降溫。

圖4 筒體溫度控制接線示意圖

通過CP1H模擬量端口，實現了主機調速，主機電流和主機轉速的顯示，以及機頭熔體壓力的采集顯示。圖5為模擬量控制接線圖。

2.2 軟件部分

2.2.1 下位機軟件

PLC程序筆者采用CX-Programmer Version7.0配套的梯形圖進行設計編程，實現了整個擠出機主機運行過程的所有邏輯控制和所有輔助電機的啟停控制。

圖6為主機聯鎖啟停程序，圖7為輔機啟停程序。

圖5 模擬量控制接線示意圖

由圖6可以看出，在程序設計時根據擠出機工藝要求實現了主機與油泵、風機聯鎖等控制，首先啟動油泵，延時5s后啟動主電機風機，然后才能啟動主電機。當油泵和主電機風機中的任何一個電機發生故障時，擠出機主機停止工作。這樣設計既實現了一鍵啟動擠出機的功能，同時也實現了聯鎖保護，避免了由于齒輪箱油泵、主電機冷卻風機故障對傳動箱和主電機的傷害。

圖8為擠出機主機轉速顯示程序，主機電流顯示和熔體壓力顯示程序與此類似。

圖7 輔機啟停程序

圖8 擠出機主機轉速顯示程序

2.2.2 上位機程序

按照功能和工藝要求將控制系統設計為一個擠出機總覽畫面(圖9)、一個實時報警畫面和一個電機操作畫面。擠出機總覽畫面顯示了基礎整體功能圖，實時溫度、設定溫度、主機轉速、主機電流和料壓，以及所有的輔機啟停指示；實時報警畫面可顯示當前報警類別并進行消音操作；在電機操作畫面可對所有電機進行啟停操作，并進行主機調速。

圖9 控制系統總覽畫面

3 經濟性分析

在常規擠出機控制系統設計過程中，大多選用西門子系列PLC，然而其價格昂貴，不但降低了性價比同時也增加了生產成本，在某種程度上也存在著PLC資源的浪費。而本設計選擇歐姆龍PLC+臺達溫控器實現相關控制功能，以12路溫控實現相同功能的前提下，將兩種選型價格做比較。歐姆龍PLC+臺達溫控器所需設備為：一個CP1H 模塊、兩個DTE 10T單元、兩個DTE 20T單元、6個DTE 20V單元、兩個DTE 20S單元、一個NB10觸摸屏和通信線，共計￥8 170元。而西門子設備則需要：一個電源模塊PS307 5A、一個CPU314模塊、一個存儲卡/128KByte、兩個AI/8熱電偶模塊、一個DI/32 24V開關量輸入模塊、一個DO/32 24V開關量輸出、一個4AI/2AO模擬量模塊、兩個安裝導軌/530MM、4個40針前連接器、4個20針前連接器、一個NB10觸摸屏和兩個RS485總線插頭，共計￥23 307元。可以看出，在實現同樣功能的前提下，選用西門子PLC價格幾乎是筆者所設計系統選型配置的3倍，當然在考慮品牌效應的前提下，依然能充分肯定選用歐姆龍PLC和溫控器組合形式的控制系統的成本低，性價比高。

4 結束語

筆者設計了基于歐姆龍PLC、臺達溫控器和HMI的擠出機經濟型控制系統，該系統具有經濟、穩定及可靠等特性。系統在江蘇某塑料公司的多條生產線上配備使用，現場運行穩定可靠，得到了客戶的好評，具有較高的實用價值。

[1] 潘寶霞,賈朝陽.20kt/a聚丙烯擠壓造機裝置配料系統的設計[J].化工機械,2011,38(1):46～48.

[2] 張永琴.聚丙烯腈聚合體過濾干燥控制系統[J].化工自動化及儀表,2012,39(10):133～134,136.

[3] 曾正,師燕燕.590P系列直流調速器在雙螺桿擠壓造粒機主機調速中的應用[J].化工自動化及儀表,2010,37(9):132～136.

EconomicalControlSystemforExtrudersBasedonPLCandHMI

ZHAO Zong-hua, LI Yong-ping
(TianhuaChemicalMachineryandAutomationInstituteCo.,Ltd.)

Based on economical PLC, temperature controller and HMI, a control system for plastics extruders was developed. Application results show that this control system is safe and reliable as the design required along with a low manufacture cost.

PLC, twin-screw extruder, control system

TH862

B

1000-3932(2017)02-0138-06

2016-04-07，

2016-11-29)

趙宗華(1984-)，工程師，從事橡塑機械電儀控制系統的設計工作，huaz003@163.com。