在塑料擠出設(shè)備中，機(jī)筒和模具內(nèi)熔融物料的溫度直接影響了擠出制品的質(zhì)量，為精確控制物料在螺桿內(nèi)輸送段、壓縮段和計(jì)量段的溫度以及模具內(nèi)芯模、口模的溫度。塑料管材擠出生產(chǎn)線的測(cè)溫點(diǎn)和加熱塊都分區(qū)布置。在一些大口徑管材擠出生產(chǎn)線中，溫度分區(qū)多達(dá)50-60個(gè)。溫度分區(qū)的多少直接關(guān)系到控制系統(tǒng)的成本。以西門子S7-200可編程序控制器為核心構(gòu)建的控制系統(tǒng)，最大測(cè)溫路數(shù)為32路，已不能滿足溫度測(cè)量的要求。如果升級(jí)到西門子S7-300可編程序控制器，則成本會(huì)大幅增加。

　　【摘要】運(yùn)用分時(shí)掃描原理對(duì)西門子S7-200PLC的溫度輸入模塊進(jìn)行分時(shí)控制，在測(cè)溫模塊數(shù)量不變的情況下。運(yùn)用分時(shí)掃描控制器獲得成倍數(shù)量的測(cè)量回路。達(dá)到簡化系統(tǒng)配置和節(jié)省成本的目的。文章對(duì)分時(shí)掃描的原理和其在塑料管材擠出設(shè)備中的運(yùn)用進(jìn)行研究。

　　【關(guān)鍵詞】工業(yè)論文投稿,PLC,溫度控制,擠出機(jī),分時(shí)掃描

　　1引言

　　根據(jù)擠出機(jī)機(jī)筒、模具溫度變化滯后性大，溫度的上升或下降變化速率慢的特點(diǎn)。通過研究分析，采用分時(shí)掃描的原理能很好處理上述問題。基于西門子溫度測(cè)量模塊6ES7231-7PF22-0XA0的通道更新周期為405ms，如果以500ms的間隔周期輪流將測(cè)溫?zé)犭娕寂c溫度測(cè)量模塊某一通道（如：AIW0）接通，控制系統(tǒng)就能通過同一通道得到多個(gè)熱電偶的溫度值。以一個(gè)通道外接四個(gè)熱電偶進(jìn)行分時(shí)掃描為例。一個(gè)西門子溫度測(cè)量模塊6ES7231-7PF22-0XA0具有八個(gè)通道。采用分時(shí)掃描技術(shù)后，測(cè)溫能力擴(kuò)展至32個(gè)熱電偶。系統(tǒng)的組態(tài)能力大大提高。以前S7-200系統(tǒng)不能應(yīng)用的大口徑管材生產(chǎn)線，采用兩個(gè)溫控模塊就能達(dá)到64個(gè)熱電偶的測(cè)溫能力，系統(tǒng)還可有剩余的5個(gè)模塊擴(kuò)展能力用于數(shù)字量DI、DO和模擬量AI、AO使用。采用分時(shí)掃描設(shè)計(jì)后，單個(gè)熱電偶溫度更新周期是2S，對(duì)于塑料擠出生產(chǎn)線，這樣的更新周期已完全能滿足生產(chǎn)和質(zhì)量控制的要求。

　　2系統(tǒng)硬件配置

　　系統(tǒng)采用德國SIMENS公司S7-200可編程序控制器為控制核心。以EM231模擬輸入熱電偶模塊為測(cè)溫元件，配合分時(shí)掃描控制器、數(shù)字量輸出單元、加熱單元和其它控制元件組成一套測(cè)溫、控溫和擠出機(jī)生產(chǎn)線速度控制的生產(chǎn)系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)工作時(shí)，熱電偶感知機(jī)筒、機(jī)頭模具的溫度變化，在CPU單元的控制下，分時(shí)掃描控制器分批將溫度值送入PLC寄存器。經(jīng)過PLC運(yùn)算處理后，生成脈寬可調(diào)的脈沖信號(hào)，控制固態(tài)繼電器通斷。達(dá)到加熱或冷卻，控制溫度的目的。

　　圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成

　　3分時(shí)掃描工作原理

　　分時(shí)掃描控制器借鑒單片機(jī)系統(tǒng)中對(duì)模擬量通道的選通原理，在單片機(jī)運(yùn)用中，程序?qū)�控制寄存器的通道選擇位進(jìn)行設(shè)定，選擇公共通路與哪一個(gè)模擬輸入端接通，單片機(jī)系統(tǒng)就能采集到相應(yīng)通道的測(cè)量值。在分時(shí)掃描控制器中，系統(tǒng)的作用過程是，PLC控制器按固定時(shí)間頻率輸出開關(guān)信號(hào)A0、A1，兩路開關(guān)信號(hào)經(jīng)二進(jìn)制四選一譯碼器CD4555B解碼后在引腳4-7中選擇輸出引腳。選通信號(hào)經(jīng)放大電路MC2004A處理后驅(qū)動(dòng)繼電器IC1，IC2等動(dòng)作；繼電器的兩個(gè)常開觸點(diǎn)的一端連接著熱電偶傳感器的兩個(gè)信號(hào)端，兩個(gè)常開觸點(diǎn)的另一端連接PLC測(cè)溫?zé)犭娕寄�塊的輸入端。當(dāng)繼電器吸合時(shí)，當(dāng)前通道的熱電偶產(chǎn)生的電壓信號(hào)就傳送到了PLC溫度測(cè)量模塊，當(dāng)繼電器斷開時(shí)，當(dāng)前通道的熱電偶信號(hào)也處于斷開狀態(tài)，控制器把通道的占用權(quán)轉(zhuǎn)交給其它吸合的繼電器單元。在PLC的控制下，繼電器按固定的頻率，固定的時(shí)序依次輪流接通、斷開，各個(gè)通道的熱電偶溫度值就依次送入控制器PLC處理單元中。

　　圖2分時(shí)掃描工作原理圖

　　4分時(shí)掃描控制器硬件設(shè)計(jì)

　　分時(shí)掃描控制器是由集成電路IC、電子器件和PCB電路板制成的控制單元。它具有集成度高，結(jié)構(gòu)緊湊，接線方便，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)分時(shí)掃描控制器時(shí)，由于熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)是微伏級(jí)的弱電壓信號(hào)，在進(jìn)行分時(shí)切換時(shí)需要減少外部電路對(duì)信號(hào)的干攏。使用三級(jí)管、固態(tài)繼電器等電子元件導(dǎo)通或斷開熱電偶與PLC溫度輸入模塊之間的連接時(shí)，不僅會(huì)將控制電路的電壓信號(hào)引入到測(cè)量電路中，通道間還會(huì)相互干攏，在實(shí)際運(yùn)用中還出現(xiàn)熱電偶接觸到較高的靜電電壓導(dǎo)致控制板控制電路的損壞。在經(jīng)過方案對(duì)比和多次試驗(yàn)測(cè)試，分時(shí)掃描的執(zhí)行元件選用12V小型繼電器。繼電器的開個(gè)常開觸點(diǎn)分別控制熱電偶的兩端與PLC測(cè)溫模塊的通斷，通道之間，控制線路和測(cè)量線路之都有非常好的物理隔離，可以滿足測(cè)量精度的要求。

　　S7-200PLC晶體管輸出的24Vdc電平控制信號(hào)，在驅(qū)動(dòng)控制電路前，采用4個(gè)10KΩ電阻將其分壓為12Vdc電平信號(hào)。分壓后的PLC輸出信號(hào)送到譯碼器CD4555B，譯碼器對(duì)PLC的二進(jìn)制信號(hào)進(jìn)行譯碼輸出，當(dāng)PLC的2個(gè)輸出位為00時(shí)，譯碼器通道1接通，其余通道關(guān)閉；當(dāng)輸出位為01時(shí)，譯碼器通道2接通，其余通道關(guān)閉；當(dāng)輸出位為11時(shí)，譯碼器通道4接通。這樣通過PLC的2個(gè)輸出位的切換組合，就能分時(shí)切換4個(gè)通道的通斷。CD4555B的輸出信號(hào)經(jīng)放大IC電路MC2004A放大后，就可以直接驅(qū)動(dòng)小繼電器的線圈電路。這樣通過PLC輸出A0，A1的切換，分時(shí)掃描控制器在譯碼器的每個(gè)通道接通8個(gè)小繼電器，分別將8個(gè)熱電偶接入PLC的8個(gè)輸入通道。4個(gè)不同的譯碼器通道，就分時(shí)接入了4組不同熱電偶傳感器。總共就接入了32個(gè)熱電偶信號(hào)。

　　5PLC編程

　　采用分時(shí)掃描控制器后，單個(gè)PLC模擬量熱電偶輸入通道內(nèi)，包含4個(gè)熱電偶傳感器的信號(hào)。及時(shí)準(zhǔn)確地采集出所需熱電偶傳感器的測(cè)量結(jié)果需要對(duì)PLC進(jìn)行編程控制。

　　（1）確定掃描周期。分時(shí)掃描控制器的分時(shí)掃描周期是由PLC的輸出位切換時(shí)間決定的。確定切換周期時(shí)，首先要滿足PLC模擬量通道的更新周期要求。其次，熱電偶切換過程中，PLC熱電偶模塊輸入端的電壓信號(hào)不會(huì)理想地階躍變化，而是由上一個(gè)熱電偶電壓值到下一個(gè)熱電偶電壓值的漸變，經(jīng)過一段時(shí)間后才達(dá)到熱電偶傳感器的實(shí)測(cè)電壓值。如果在通道切換后就立即讀入通道值，則讀入的溫度值是不準(zhǔn)確的。所以在編程時(shí)，在一個(gè)通道切換后，必需保持足夠的時(shí)間。通過我們測(cè)試研究，保持時(shí)間0.5秒至1秒再讀入通道值，就能得到當(dāng)前熱電偶的準(zhǔn)確溫度值。

　　（2）分時(shí)掃描通道切換。PLC對(duì)用于分時(shí)控制的數(shù)字量輸出是通過定時(shí)器控制的。定時(shí)器T0在4個(gè)切換周期內(nèi)循環(huán)定時(shí)運(yùn)時(shí)。當(dāng)T0=0時(shí)，先接收譯碼器通道4數(shù)據(jù)，再置PLC輸出位為00，接通譯碼器通道1；當(dāng)T0=3*周期時(shí)，先接收譯碼器通道3數(shù)據(jù)，再置PLC位輸出為11，接通譯碼器通道4；當(dāng)T0=4*周期時(shí)，復(fù)位T0。

　　（3）PLC系統(tǒng)溫度控制。常規(guī)的溫度控制，一般采用PID算法。但S7-200系統(tǒng)只配置了8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PID控制通道。在采用分時(shí)掃描控制器后，需要控制的溫度通道達(dá)32-64個(gè)，系統(tǒng)自帶的PID通道不能滿足要求。編制PID算法不僅需要專業(yè)的數(shù)學(xué)功底，在運(yùn)用時(shí)也需要較大的工作量進(jìn)行整定調(diào)試。大量PID算法本身也給PLC系統(tǒng)造成了巨大的運(yùn)算壓力，使得PLC系統(tǒng)掃描周期延長，反應(yīng)遲鈍。結(jié)合塑料擠出設(shè)備本身的特點(diǎn)。經(jīng)過測(cè)試分析，在溫度控制時(shí)限制溫升加速度，采用脈寬調(diào)制就能達(dá)到理想的控制效果。此方法在溫度偏差大時(shí)，以最高溫升加速度加熱。在實(shí)測(cè)溫度接近設(shè)定溫度時(shí)，以可調(diào)的脈寬輸出加熱，越接近設(shè)定溫度，加熱的脈寬越小。在工程運(yùn)用中，此方法設(shè)計(jì)的PLC程序的適應(yīng)性強(qiáng)，調(diào)試簡單，控制靜態(tài)誤差小于±1℃。

　　6結(jié)束語

　　本文對(duì)分時(shí)掃描原理在西門子S7-200PLC的溫度輸入模塊中的應(yīng)用進(jìn)行研究，在測(cè)溫模塊數(shù)量不變的情況下。獲得成倍數(shù)量的測(cè)量通道。達(dá)到簡化系統(tǒng)配置和節(jié)省成本的目的。按分時(shí)掃描原理制成的控制器配合S7-200PLC已在塑料管材擠出生產(chǎn)線中得到廣泛的運(yùn)用。安裝此設(shè)備產(chǎn)品已出口多個(gè)國家并穩(wěn)定運(yùn)行多年。產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

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