王 莉，張 宏

（1. 鄭州商業(yè)技師學(xué)院，河南省鄭州市 450121；2. 開(kāi)封技師學(xué)院，河南省開(kāi)封市 475004）

塑料因具有耐化學(xué)藥品腐蝕性強(qiáng)、生產(chǎn)成本低、防水性能好、質(zhì)量輕、絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)快速發(fā)展的重要材料［1-2］。目前，擠塑成型技術(shù)是主要的塑料生產(chǎn)方法之一，適用于規(guī)?；笈克芰系募庸どa(chǎn)。與傳統(tǒng)的金屬材料加工成型相比，實(shí)現(xiàn)擠塑成型工藝的自動(dòng)化更簡(jiǎn)單，因此，塑料擠出機(jī)成為塑料擠出生產(chǎn)的主要設(shè)備［3］。為了實(shí)現(xiàn)塑料擠出機(jī)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，保證塑料擠出機(jī)各工藝參數(shù)的智能化高精度控制，需要一款抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高、成本低的塑料擠出機(jī)控制系統(tǒng)。目前，我國(guó)塑料擠出機(jī)主要有兩種控制系統(tǒng)，一種為嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器控制方法，該控制系統(tǒng)雖然成本低，但穩(wěn)定性不高且開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)；另一種為基于觸摸屏和可編程控制器（PLC）的控制方法，由于PLC可編程性強(qiáng)、穩(wěn)定性高［4-6］，因此受到青睞。

S7-300系列PLC是德國(guó)西門(mén)子股份公司（簡(jiǎn)稱(chēng)西門(mén)子）推出的中型模塊化PLC，該款PLC擁有強(qiáng)大的運(yùn)算指令，運(yùn)算速度快、可擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、通信速度快，擁有智能比例積分微分（PID）控制模塊［7］。為了實(shí)現(xiàn)塑料擠出機(jī)的自動(dòng)化控制和注塑工藝參數(shù)的穩(wěn)定精確控制，本工作設(shè)計(jì)了一套基于S7-300系列PLC的塑料擠出機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)擠出機(jī)工藝參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示。通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，由PID控制模塊對(duì)擠出機(jī)工藝參數(shù)（如溫度、壓力等）進(jìn)行精確控制。

1 塑料擠出機(jī)工藝過(guò)程

物料從料斗進(jìn)入擠出機(jī)，在旋轉(zhuǎn)螺桿摩擦力的帶動(dòng)下將物料向前傳送。塑料在向前運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，受到料筒加熱裝置加熱及螺桿的剪切和壓縮作用，塑料顆粒逐漸被加熱融化，并實(shí)現(xiàn)由玻璃態(tài)向黏流態(tài)變化。黏流態(tài)物料通過(guò)具有一定形狀的口模，經(jīng)過(guò)冷卻定型后得到塑料產(chǎn)品。塑料擠出機(jī)（結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1）主要由料斗、料筒、加熱裝置、旋轉(zhuǎn)螺桿、動(dòng)力系統(tǒng)等組成。

圖1 塑料擠出機(jī)本體結(jié)構(gòu)Fig.1 Body structure of plastic extruder

料筒作為塑料擠出機(jī)的重要組成部分，應(yīng)具有良好的耐熱性以及耐化學(xué)藥品腐蝕性。其中，塑料顆粒的粉碎、軟化、傳送等過(guò)程需要料筒和螺桿相互配合才能夠完成。塑料擠出機(jī)一般采用電加熱方式進(jìn)行加熱，在塑料擠出機(jī)的機(jī)身、機(jī)頭等部分安裝加熱裝置。加熱裝置對(duì)料筒內(nèi)的塑料顆粒加熱，通過(guò)控制器的智能閉環(huán)反饋實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

塑料擠出機(jī)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)非常重要的部分，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理對(duì)于軟件編寫(xiě)、擠出機(jī)功能擴(kuò)展等具有重要影響。塑料擠出機(jī)控制系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，上位機(jī)采用Hakko系列觸摸屏控制，下位機(jī)采用西門(mén)子的S7-300系列PLC進(jìn)行控制，由觸摸屏和PLC以及現(xiàn)場(chǎng)儀表構(gòu)成塑料擠出機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過(guò)溫度變送器和PLC模擬量采集模塊實(shí)現(xiàn)溫度傳感器和壓力傳感器模擬量的采集，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果以及PID運(yùn)算程序?qū)崿F(xiàn)擠出工藝參數(shù)的閉環(huán)自動(dòng)控制。

塑料擠出機(jī)控制系統(tǒng)性能對(duì)于塑料制品質(zhì)量具有重要作用，為了對(duì)塑料擠出機(jī)進(jìn)行智能自動(dòng)化控制，并兼顧控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，設(shè)計(jì)了一款基于S7-300系列PLC的控制系統(tǒng)，通過(guò)上位機(jī)觸摸屏實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的輸入，控制器根據(jù)PID算法進(jìn)行計(jì)算，并將運(yùn)算結(jié)果通過(guò)PLC的輸出模塊對(duì)控制量進(jìn)行調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of control system

塑料擠出機(jī)控制系統(tǒng)上位機(jī)采用Hakko TS1070i型嵌入式一體化觸摸屏，該款觸摸屏為7寸，分辨率為800×480，擁有兩個(gè)串口，其中，COM1為RS-422/485，另一個(gè)COM2&COM3為RS232或RS-422/485，電壓為24 V。TS1070i型嵌入式一體化觸摸屏能夠?qū)崿F(xiàn)與眾多硬件的交互功能，可以方便地實(shí)現(xiàn)PLC、智能儀表等自動(dòng)控制設(shè)備數(shù)據(jù)的讀取，上位機(jī)觸摸屏實(shí)現(xiàn)的主要功能有：與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互、注塑工藝參數(shù)的設(shè)置、故障報(bào)警信息的展示、數(shù)據(jù)曲線(xiàn)動(dòng)態(tài)展示等。下位機(jī)主要由PLC組成，該下位機(jī)選用西門(mén)子的CPU315-2DP型PLC，PLC通過(guò)RS-232與上位機(jī)觸摸屏進(jìn)行通信。該款中央處理器（CPU）能夠?qū)崿F(xiàn)48 KB容量存儲(chǔ)，存儲(chǔ)卡為8 MB，能夠?qū)崿F(xiàn)自由編程，CPU集成了24位數(shù)字量輸入和16位數(shù)字量輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)5位模擬量輸入和2位模擬量輸出。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC程序和觸摸屏程序

西門(mén)子編程軟件采用STEP7軟件編寫(xiě)，主要以塊進(jìn)行程序組織，通過(guò)組織塊、功能塊、功能、系統(tǒng)功能、背景數(shù)據(jù)塊實(shí)現(xiàn)塑料擠出機(jī)程序編寫(xiě)。在進(jìn)行PLC程序編程之前，首先繪制編程的順序流程圖，根據(jù)控制要求得到主程序流程，見(jiàn)圖3。

圖3 擠出機(jī)主程序流程Fig.3 Extruder main program flow

對(duì)觸摸屏進(jìn)行可視化界面設(shè)計(jì)，通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、故障監(jiān)控等。主要功能包括：控制功能，如擠出機(jī)啟動(dòng)、停止、自動(dòng)/手動(dòng)切換，工藝參數(shù)的設(shè)定及修改等；顯示功能，如擠出工藝動(dòng)態(tài)顯示、擠出機(jī)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)以及儀表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)展示、報(bào)警信息記錄等［8］。

3.2 PID控制

為了實(shí)現(xiàn)塑料擠出機(jī)控制系統(tǒng)溫度和壓力的精確控制，采用經(jīng)典的PID控制進(jìn)行自動(dòng)控制。通過(guò)采集溫度或壓力等模擬量，并將此值與設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，由對(duì)比值大小實(shí)現(xiàn)對(duì)PID輸出值大小的調(diào)整。

PID控制器中，假設(shè)r（k）為目標(biāo)值，y（k）為溫度采集值，e（k）為二者之差，得式（1）。

PID控制器輸出［u（k）］數(shù)學(xué)模型見(jiàn)式（2）。

式中：Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)；e（j）為在j時(shí)刻的溫度差值。

常規(guī)增量式數(shù)字PID控制算法可描述為式（3）。

式中：Δu（k）為控制器輸出增量。

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證基于PLC的塑料擠出機(jī)控制系統(tǒng)的有效性，選擇某型號(hào)塑料擠出機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并采用西門(mén)子S7-300系列PLC中的PID模塊進(jìn)行調(diào)整。設(shè)定塑料擠出機(jī)中料筒某段溫度為250 ℃，通過(guò)傳感器對(duì)料筒溫度進(jìn)行采集并記錄，從表1可以看出：采用基于西門(mén)子S7-300系列PLC設(shè)計(jì)的塑料擠出機(jī)控制系統(tǒng)能夠?qū)囟日`差控制在±0.7 ℃，該溫度誤差完全能夠滿(mǎn)足塑料擠出機(jī)生產(chǎn)的工藝要求。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，該控制系統(tǒng)能夠保證塑料擠出機(jī)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，由此也說(shuō)明該控制系統(tǒng)擁有較高的穩(wěn)定性和可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)擠出功能的不斷更新，能夠適應(yīng)多種塑料工藝生產(chǎn)。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results

5 結(jié)論

a）設(shè)計(jì)了一款基于S7-300系列PLC的塑料擠出機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，結(jié)合擠出機(jī)工藝流程設(shè)計(jì)了基于觸摸屏和PLC的控制系統(tǒng)硬件，在硬件基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)PLC軟件和觸摸屏軟件。

b）該控制系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，能夠?qū)崿F(xiàn)擠出功能的不斷更新，能夠適應(yīng)多種塑料工藝生產(chǎn)，提高了擠出機(jī)自動(dòng)化和智能化水平，具有較大的應(yīng)用推廣價(jià)值。