基于PLC的挤出机控制系统设计-夏田-(1)

基于PLC的挤出机控制系统设计夏田张晓朋（陕西科技大学机电工程学院，西安710021）PLCcontrolsystemoftheextruderXIATian，ZHANGXiao-peng（MechanicalandElectricalEngineerCollege，ShaanxiUniversityofScienceandTechnology，Xi’an710021，China）文章编号：１００１-3997（２００8）12-0045-01【摘要】通过对双螺杆挤出机工作过程的分析，设计出利用SiemensS7-200系列PLC结合变频器构成的双螺杆挤出机控制系统，实现了挤出机电机的无级调速控制以及料筒恒温控制。关键词：挤出机；变频器；PLC【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Basedonanalysisthetwin-screwextruderworkingprocess，atwin-screwextrudercontrolsystemsbedesigneduseSiemensS7-200seriesPLC，itrealizedtimingcontrolandconstanttemperaturecontrol.Keywords：Extruder；Frequencyconverter；PLC中图分类号：TH12，TP27文献标识码：A＊来稿日期：2008-02-191前言挤出机是用于热塑性塑料加工的一种设备，按照其使用的螺杆数量可以分为单螺杆、双螺杆和多螺杆挤出机。其中双螺杆挤出机的物料所受到的剪切力较均匀、螺杆的输送能力较大、挤出量稳定、物料在机筒内停留的时间长且混合均匀，因而应用较为广泛。双螺杆挤出机由传动装置、加料装置、料筒和螺杆等几部分组成。工作时，装入料斗的物料借助转动的螺杆流入加料筒内，由于料筒的持续加热以及物料与设备之间的剪切磨擦热，使原料熔化而呈流体状态，流体状的物料由于受到螺杆的搅拌而均匀分散，并不断随之前进。之后物料以流动状态连续通过口模成型，形成产品[1]。2控制系统硬件结构挤出机控制系统的硬件主要由调速系统设计、温度控制设计、PLC流程控制部分组成。调速系统接收到PLC给出的速度和转矩信号后，控制变频调速器设定相应的速度和转向使电机运转，同时将反馈信号传回PLC，监控电枢的温度、速度及转矩是否超过设定值。PLC流程控制是根据现场信号，控制进料、主机、传送和冷却单元的运行，并提供相应的工作状况显示，以备操作人员进行监控。控制系统硬件结构框图，如图1所示。图1挤出机PLC控制系统硬件框图控制单元选用SIEMENSS7-200224XPCPU型PLC，它包括14点输入10点输出以及两个模拟输入量和一个模拟输出量，扩展模块包括2个EM222数字扩展单元、2个EM231热电偶扩展模块、1个EM232模拟量扩展模块[2]。用触摸屏作人机界面，实时显示加工过程的工艺参数、电机的运行速度、运行电流、电压，报警信息。生产状态查询，故障报警记录，故障分析以及各种数据报表的产生及显示。S7-200PLC作为整个控制系统的核心部分，通过自带的24点I/O口对料斗开关、冷却装置以及变频器进行控制。四段加热器通过固态继电器与EM222数字扩展模块的输出端相连，加热器温度检测通过温度传感器传送到EM231模拟输入输出模块的输入端，通过PID控制算法实现一个完整的温度控制环节。EM232扩展模拟输出模块的输出端输出到变频器的外部模拟信号接收端，通过变频器调节电动机传递，实现挤出机的电机控制。3控制软件设计软件设计主要包括双螺杆挤出机电机连锁控制、温度PID控制两部分PLC程序的编制。双螺杆挤出机控制过程流程，如图2所示。图2双螺杆挤出机控制过程流程触摸屏冷却装置料斗控制固态继电器温度传感器变频器1S7-200224XPEM222EM231EM232加热器电机1启动送料温度符合设定值现热NNNNNNNYNYYYYYYY主喂料斗满辅助喂料斗满加料主喂料电机开辅助喂料电机开主料斗电机开辅助料斗电机开3min后喂料电机打开电机停止温度调节控制加热ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ机械设计与制造第12期２００8年12月45滚珠丝杠副选型设计中的热变形问题陈曼龙（陕西理工学院，汉中723003）DiscussiononthermalextensioninselectiondesignofballscrewCHENMan-long（ShanxiUniversityofTechnology，Hanzhong723003，China）文章编号：１００１-3997（２００8）12-0046-02【摘要】滚珠丝杠的设计选用一般按照其运动学和动力学条件进行。而在使用中高速工况滚珠丝杠热变形问题是不容忽视的，会严重影响丝杠的传动精度。设计选用滚珠丝杠时就应考虑其发热量问题。滚珠丝杠发热主要与预紧力、螺旋升角及摩擦状态有关，设计选用时应根据不同工况对这些参数综合考虑，合理选择。关键词：滚珠丝杠；设计；选型；热伸长【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Asageneralrule，ballscrewbedesignedaccordingtothekinematicalanddynamicspecifications.Thethermalextensionofballscrewcannotbeneglectedwhenitworksincaseofhighspeedrunning，becauseofhighprecisionbedemandednormally.Thethermalextensionofballscrewisrelatedtotightenforceofbearing，leadangleandfrictionstate.Andthesefactorsmustbeconsideredanddecidedcomprehensivelytoadaptitsworkingconditionindesignofballscrew.Keywords：Ballscrew；Design；Typechoosing；Thermalextension＊来稿日期：2008-02-13中图分类号：TH132.1文献标识码：A1引言近年来伴随工具机高速化的要求，丝杠工作转速也越来越高。这就意味着丝杠的发热量越来越大，而丝杠变形误差在丝杠系统传动误差中占据很大一部分比例，丝杠热变形是丝杠变形的主要原因，因此减小或降低丝杠传动中的发热量就显得十分重要。2滚珠丝杠发热的原因滚珠丝杠与丝杠螺母的摩擦是丝杠发热的根本原因。经典理论认为摩擦力矩越大则发热越显著。滚珠丝杠的发热部位只要包括丝杠螺母与轴承。轴承发热与负载有关，预紧轴承则主要与预紧力有关；丝杠螺母发热影响较大，它取决于丝杠工作过程中的摩擦力矩。摩擦力矩除与负载有关外，还与螺旋升角和摩擦状况关系密切，这可由其效率关系式看出。Tf=Qd22tgρ（1）η＝tgλtg（λ+ρ）或η′=tg（λ-ρ）tgλ（2）式中：η，η′—螺纹正、反程效率；λ—滚珠丝杠螺旋升角，rad；ρ—当量摩擦角，rad；ρ＝arctgfcosβ；f—滚珠丝杠摩擦系数；双螺杆挤出机电源接通后挤出机加热器开始对料筒进行预热，预热期间主电机与辅助喂料电机处于锁死状态，直到料筒加热温度到达设定值后并且料斗装料已满则主电机与辅助喂料电机解锁，双螺杆挤出机电机处于正常工作状态。连锁控制部分梯形图程序图略，其中AIW0～AIW3引入温度传感器的模拟输入，实现对加热器的控制，加热温度范围由VW0、VW1实现。VW2、VW3作为电机转速输入设定值，传送到模拟输出端AQW0、AQW1上，实现用变频器对电机的无级变速控制；Q0.1、Q0.3主要用来实现料斗的开关控制。温度控制按照料筒四段加热区域功能的不同独立进行，挤出机的冷却装置采用PID控制算法进行调节。温度控制系统在设定温度下，对物料进行加热，启动加热系统，当达到加热时间时，则向PLC提供启动流程控制信号；另外，PID控制器根据相应信号进行比较，以便关停发热丝电源，同时控制冷却电磁阀的开、停，保持加热温度，确保产品质量的稳定。4结论挤出机控制参数受工作环境影响较大，与理想值之间有一定差距，需要在现场反复调试。实践证明，采用SIEMENSS7-200型PLC与变频器构成的双螺杆挤出机控制系统，实现双螺杆挤出机的电机恒速控制以及温度调节控制，结构简单，设计合理，显著地增强了挤出机的工作稳定性和自动化程度，有效地提高了产品的质量。参考文献1黄锐.塑料成型工艺学［M］.北京：中国轻工业出版社，19972SiemensS7-200CN可编程控制器产品目录［Z］，20063陶思扬，叶春生.挤出机的伺服控制与温度控制［J］.塑料工业，2006（4）：37～39＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ机械设计与制造第12期２００8年12月46