在塑料擠出設(shè)備中，機筒和模具內(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)線的測溫點和加熱塊都分區(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。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)，最大測溫路數(shù)為32路，已不能滿足溫度測量的要求。如果升級到西門子S7-300可編程序控制器，則成本會大幅增加。

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

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

　　1引言

　　根據(jù)擠出機機筒、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。通過研究分析，采用分時掃描的原理能很好處理上述問題。基于西門子溫度測量模塊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溫?zé)犭娕寂c溫度測量模塊某一通道（如：AIW0）接通，控制系統(tǒng)就能通過同一通道得到多個熱電偶的溫度值。以一個通道外接四個熱電偶進行分時掃描為例。一個西門子溫度測量模塊6ES7231-7PF22-0XA0具有八個通道。采用分時掃描技術(shù)后，測溫能力擴展至32個熱電偶。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，采用兩個溫控模塊就能達(dá)到64個熱電偶的測溫能力，系統(tǒng)還可有剩余的5個模塊擴展能力用于數(shù)字量DI、DO和模擬量AI、AO使用。采用分時掃描設(shè)計后，單個熱電偶溫度更新周期是2S，對于塑料擠出生產(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溫元件，配合分時掃描控制器、數(shù)字量輸出單元、加熱單元和其它控制元件組成一套測溫、控溫和擠出機生產(chǎn)線速度控制的生產(chǎn)系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)工作時，熱電偶感知機筒、機頭模具的溫度變化，在CPU單元的控制下，分時掃描控制器分批將溫度值送入PLC寄存器。經(jīng)過PLC運算處理后，生成脈寬可調(diào)的脈沖信號，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分時掃描工作原理

　　分時掃描控制器借鑒單片機系統(tǒng)中對模擬量通道的選通原理，在單片機運用中，程序?qū)�控制寄存器的通道選擇位進行設(shè)定，選擇公共通路與哪一個模擬輸入端接通，單片機系統(tǒng)就能采集到相應(yīng)通道的測量值。在分時掃描控制器中，系統(tǒng)的作用過程是，PLC控制器按固定時間頻率輸出開關(guān)信號A0、A1，兩路開關(guān)信號經(jīng)二進制四選一譯碼器CD4555B解碼后在引腳4-7中選擇輸出引腳。選通信號經(jīng)放大電路MC2004A處理后驅(qū)動繼電器IC1，IC2等動作；繼電器的兩個常開觸點的一端連接著熱電偶傳感器的兩個信號端，兩個常開觸點的另一端連接PLC測溫?zé)犭娕寄�塊的輸入端。當(dāng)繼電器吸合時，當(dāng)前通道的熱電偶產(chǎn)生的電壓信號就傳送到了PLC溫度測量模塊，當(dāng)繼電器斷開時，當(dāng)前通道的熱電偶信號也處于斷開狀態(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，固定的時序依次輪流接通、斷開，各個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分時掃描工作原理圖

　　4分時掃描控制器硬件設(shè)計

　　分時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。在設(shè)計分時掃描控制器時，由于熱電偶產(chǎn)生的熱電勢是微伏級的弱電壓信號，在進行分時切換時需要減少外部電路對信號的干攏。使用三級管、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，不僅會將控制電路的電壓信號引入到測量電路中，通道間還會相互干攏，在實際運用中還出現(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)過方案對比和多次試驗測試，分時掃描的執(zhí)行元件選用12V小型繼電器。繼電器的開個常開觸點分別控制熱電偶的兩端與PLC測溫模塊的通斷，通道之間，控制線路和測量線路之都有非常好的物理隔離，可以滿足測量精度的要求。

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

　　5PLC編程

　　采用分時掃描控制器后，單個PLC模擬量熱電偶輸入通道內(nèi)，包含4個熱電偶傳感器的信號。及時準(zhǔn)確地采集出所需熱電偶傳感器的測量結(jié)果需要對PLC進行編程控制。

　　（1）確定掃描周期。分時掃描控制器的分時掃描周期是由PLC的輸出位切換時間決定的。確定切換周期時，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不會理想地階躍變化，而是由上一個熱電偶電壓值到下一個熱電偶電壓值的漸變，經(jīng)過一段時間后才達(dá)到熱電偶傳感器的實測電壓值。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，在一個通道切換后，必需保持足夠的時間。通過我們測試研究，保持時間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）分時掃描通道切換。PLC對用于分時控制的數(shù)字量輸出是通過定時器控制的。定時器T0在4個切換周期內(nèi)循環(huán)定時運時。當(dāng)T0=0時，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，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，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個標(biāo)準(zhǔn)的PID控制通道。在采用分時掃描控制器后，需要控制的溫度通道達(dá)32-64個，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，在運用時也需要較大的工作量進行整定調(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。經(jīng)過測試分析，在溫度控制時限制溫升加速度，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，以最高溫升加速度加熱。在實測溫度接近設(shè)定溫度時，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。在工程運用中，此方法設(shè)計的PLC程序的適應(yīng)性強，調(diào)試簡單，控制靜態(tài)誤差小于±1℃。

　　6結(jié)束語

　　本文對分時掃描原理在西門子S7-200PLC的溫度輸入模塊中的應(yīng)用進行研究，在測溫模塊數(shù)量不變的情況下。獲得成倍數(shù)量的測量通道。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)線中得到廣泛的運用。安裝此設(shè)備產(chǎn)品已出口多個國家并穩(wěn)定運行多年。產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟效益。

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