基于PLC的塑料挤出机控制系统设计

王 莉，张 宏

（1. 郑州商业技师学院，河南省郑州市 450121；2. 开封技师学院，河南省开封市 475004）

塑料因具有耐化学药品腐蚀性强、生产成本低、防水性能好、质量轻、绝缘性能好等优点，逐渐成为我国现代工业技术快速发展的重要材料［1-2］。目前，挤塑成型技术是主要的塑料生产方法之一，适用于规模化大批量塑料的加工生产。与传统的金属材料加工成型相比，实现挤塑成型工艺的自动化更简单，因此，塑料挤出机成为塑料挤出生产的主要设备［3］。为了实现塑料挤出机的稳定可靠运行，保证塑料挤出机各工艺参数的智能化高精度控制，需要一款抗干扰能力强、稳定性高、成本低的塑料挤出机控制系统。目前，我国塑料挤出机主要有两种控制系统，一种为嵌入式数字信号处理器控制方法，该控制系统虽然成本低，但稳定性不高且开发周期较长；另一种为基于触摸屏和可编程控制器（PLC）的控制方法，由于PLC可编程性强、稳定性高［4-6］，因此受到青睐。

S7-300系列PLC是德国西门子股份公司（简称西门子）推出的中型模块化PLC，该款PLC拥有强大的运算指令，运算速度快、可扩展性强、可靠性强、抗干扰能力强、通信速度快，拥有智能比例积分微分（PID）控制模块［7］。为了实现塑料挤出机的自动化控制和注塑工艺参数的稳定精确控制，本工作设计了一套基于S7-300系列PLC的塑料挤出机控制系统，通过触摸屏实现挤出机工艺参数设置、数据显示。通过PLC实现执行机构的控制，由PID控制模块对挤出机工艺参数（如温度、压力等）进行精确控制。

1 塑料挤出机工艺过程

物料从料斗进入挤出机，在旋转螺杆摩擦力的带动下将物料向前传送。塑料在向前运动过程中，受到料筒加热装置加热及螺杆的剪切和压缩作用，塑料颗粒逐渐被加热融化，并实现由玻璃态向黏流态变化。黏流态物料通过具有一定形状的口模，经过冷却定型后得到塑料产品。塑料挤出机（结构见图1）主要由料斗、料筒、加热装置、旋转螺杆、动力系统等组成。

图1 塑料挤出机本体结构Fig.1 Body structure of plastic extruder

料筒作为塑料挤出机的重要组成部分，应具有良好的耐热性以及耐化学药品腐蚀性。其中，塑料颗粒的粉碎、软化、传送等过程需要料筒和螺杆相互配合才能够完成。塑料挤出机一般采用电加热方式进行加热，在塑料挤出机的机身、机头等部分安装加热装置。加热装置对料筒内的塑料颗粒加热，通过控制器的智能闭环反馈实现温度的精确控制。

2 控制系统硬件设计

塑料挤出机控制系统的硬件结构是整个系统非常重要的部分，系统硬件结构设计是否合理对于软件编写、挤出机功能扩展等具有重要影响。塑料挤出机控制系统采用主从式结构进行协调控制，上位机采用Hakko系列触摸屏控制，下位机采用西门子的S7-300系列PLC进行控制，由触摸屏和PLC以及现场仪表构成塑料挤出机自动控制系统。通过温度变送器和PLC模拟量采集模块实现温度传感器和压力传感器模拟量的采集，并根据计算结果以及PID运算程序实现挤出工艺参数的闭环自动控制。

塑料挤出机控制系统性能对于塑料制品质量具有重要作用，为了对塑料挤出机进行智能自动化控制，并兼顾控制系统的稳定性和可靠性，设计了一款基于S7-300系列PLC的控制系统，通过上位机触摸屏实现控制参数的输入，控制器根据PID算法进行计算，并将运算结果通过PLC的输出模块对控制量进行调节。控制系统硬件结构见图2。

图2 控制系统硬件结构Fig.2 Hardware structure of control system

塑料挤出机控制系统上位机采用Hakko TS1070i型嵌入式一体化触摸屏，该款触摸屏为7寸，分辨率为800×480，拥有两个串口，其中，COM1为RS-422/485，另一个COM2&COM3为RS232或RS-422/485，电压为24 V。TS1070i型嵌入式一体化触摸屏能够实现与众多硬件的交互功能，可以方便地实现PLC、智能仪表等自动控制设备数据的读取，上位机触摸屏实现的主要功能有：与PLC进行数据交互、注塑工艺参数的设置、故障报警信息的展示、数据曲线动态展示等。下位机主要由PLC组成，该下位机选用西门子的CPU315-2DP型PLC，PLC通过RS-232与上位机触摸屏进行通信。该款中央处理器（CPU）能够实现48 KB容量存储，存储卡为8 MB，能够实现自由编程，CPU集成了24位数字量输入和16位数字量输出，能够实现5位模拟量输入和2位模拟量输出。

3 控制系统软件设计

3.1 PLC程序和触摸屏程序

西门子编程软件采用STEP7软件编写，主要以块进行程序组织，通过组织块、功能块、功能、系统功能、背景数据块实现塑料挤出机程序编写。在进行PLC程序编程之前，首先绘制编程的顺序流程图，根据控制要求得到主程序流程，见图3。

图3 挤出机主程序流程Fig.3 Extruder main program flow

对触摸屏进行可视化界面设计，通过触摸屏实现系统的参数设置、数据采集、故障监控等。主要功能包括：控制功能，如挤出机启动、停止、自动/手动切换，工艺参数的设定及修改等；显示功能，如挤出工艺动态显示、挤出机各机构的运转状态以及仪表的实时数据曲线展示、报警信息记录等［8］。

3.2 PID控制

为了实现塑料挤出机控制系统温度和压力的精确控制，采用经典的PID控制进行自动控制。通过采集温度或压力等模拟量，并将此值与设定的目标值进行对比，由对比值大小实现对PID输出值大小的调整。

PID控制器中，假设r（k）为目标值，y（k）为温度采集值，e（k）为二者之差，得式（1）。

PID控制器输出［u（k）］数学模型见式（2）。

式中：Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数；e（j）为在j时刻的温度差值。

常规增量式数字PID控制算法可描述为式（3）。

式中：Δu（k）为控制器输出增量。

4 实验分析

为了验证基于PLC的塑料挤出机控制系统的有效性，选择某型号塑料挤出机为实验平台，并采用西门子S7-300系列PLC中的PID模块进行调整。设定塑料挤出机中料筒某段温度为250 ℃，通过传感器对料筒温度进行采集并记录，从表1可以看出：采用基于西门子S7-300系列PLC设计的塑料挤出机控制系统能够将温度误差控制在±0.7 ℃，该温度误差完全能够满足塑料挤出机生产的工艺要求。在实验过程中，该控制系统能够保证塑料挤出机稳定可靠运行，由此也说明该控制系统拥有较高的稳定性和可靠性，能够实现挤出功能的不断更新，能够适应多种塑料工艺生产。

表1 实验结果Tab.1 Experimental results

5 结论

a）设计了一款基于S7-300系列PLC的塑料挤出机自动控制系统，结合挤出机工艺流程设计了基于触摸屏和PLC的控制系统硬件，在硬件基础上设计了控制系统PLC软件和触摸屏软件。

b）该控制系统稳定性较高，能够实现挤出功能的不断更新，能够适应多种塑料工艺生产，提高了挤出机自动化和智能化水平，具有较大的应用推广价值。