基于PLC、變頻器控制的SJS90型單螺桿擠出機

郭 琳 任 娟 顧 康

（沙洲職業(yè)工學(xué)院，張家港 215600）

SJ系列單螺桿塑料擠出機是一種將塑性塑料擠出成型的機器，通過調(diào)換各種形式的機頭（口模、芯棒）與相應(yīng)的輔機配套使用，即可將軟、硬聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等原料加工成管、棒、帶形、吹塑薄膜、拉線、吹瓶及包制電線、電纜的絕緣層。

1 機械結(jié)構(gòu)及特點

SJS90單螺桿塑料擠出機主要由螺桿、料筒、傳動系統(tǒng)、加熱、冷卻系統(tǒng)、加料裝置、電氣控制裝置等部分組成。

1.1 螺桿

螺桿是完成塑料輸送和塑化的關(guān)鍵零件，通過它的旋轉(zhuǎn)把塑料向前推行，達到壓實、熔融、混煉均化的目的。

螺桿螺紋由不同功能段分段組成，以達到更好地輸送、壓實、混煉及塑化效果。本生產(chǎn)線螺桿采用屏障順行和方釘混煉頭強力塑化型螺桿，塑化效果好，產(chǎn)量高。螺桿材料選用優(yōu)質(zhì)氮化鋼（38CrMoAlA），精加工氮化精磨而成，具有較高的抗腐蝕和耐磨能力，使用壽命長。

1.2 料筒

料筒是與螺桿配對的零件，它是由氮化鋼制成，內(nèi)孔經(jīng)氮化處理，以達到較高的硬度和較好的耐磨性，并具有一定的耐腐蝕能力，在它的外表面有四組加熱器，熱量由料筒傳給塑料，使塑料熔融塑化，在裝加熱器料筒的各個部位共設(shè)有四個測溫點，可在塑料加工溫度范圍內(nèi)自動控制。

1.3 傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)要求能在選定工藝條件下，使螺桿以特定的扭矩均勻旋轉(zhuǎn)，以完成螺桿對塑料的塑化和輸送。為適應(yīng)各種規(guī)格塑料制品的生產(chǎn)要求，螺桿應(yīng)具有不同的轉(zhuǎn)速。本機采用Z4直流電動機通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動齒輪箱，并采用歐陸直流調(diào)速器實現(xiàn)螺桿轉(zhuǎn)速在10-120r/min范圍內(nèi)無級調(diào)速。

1.4 加熱、冷卻系統(tǒng)

隨著螺桿的轉(zhuǎn)速、擠出壓力、外加熱以及擠出機周圍介質(zhì)溫度的變化，料筒中物料的溫度也會發(fā)生相應(yīng)變化。為使塑料原料始終在其加工工藝所要求的溫度范圍內(nèi)擠出，設(shè)備設(shè)置有加熱、冷卻系統(tǒng)。本機采用加熱圈加熱，通過料筒傳遞給塑料；冷卻采用風(fēng)機空氣冷卻，加熱和冷卻由PLC自動控制。

1.5 加料裝置

加料裝置主要包括料斗和真空吸料機，可完成自動加料過程。

1.6 電氣控制裝置

電氣控制裝置包括可編程控制器、直流調(diào)速、變頻器、人機界面等，可完成各區(qū)溫度采集及控制、各個電機的速度及啟?？刂?、運行狀態(tài)顯示、故障診斷等功能。

2 控制電路設(shè)計

2.1 硬件組成

SJS90單螺桿塑料擠出機控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)采用S7-200型西門子PLC作控制核心，完成對系統(tǒng)整個運行過程的控制；人機界面采用西門子Smart 1000IE，完成參數(shù)設(shè)置、機頭及料筒的溫度設(shè)置、主機運行監(jiān)視、實時溫度顯示等；螺桿采用Z4-250-Z1直流電動機驅(qū)動，其啟停及轉(zhuǎn)速由歐陸直流調(diào)速590 SSD實施控制；兩個輸出擴展模塊CTS7-222和兩個測溫模塊CTS7-231用于機頭和料筒的加熱控制和溫度測量；模擬量模塊6ES7-232驅(qū)動變頻器（兩只），分別用于色標(biāo)擠出電機和牽引電機轉(zhuǎn)速的控制。

圖1 控制系統(tǒng)硬件框圖

2.2 主要控制電路接線

2.2.1 PLC外部接線

SJS90單螺桿塑料擠出機采用西門子PLC S7-200 6ES7 214-2BD23-0XB0對整個生產(chǎn)過程實施控制，該模塊設(shè)置輸入點14個，用于主機故障信號、牽引機故障信號和急停信號的輸入；輸出點10個，用于料筒1-料筒4、機頭1-機頭6的加熱控制；模擬量輸入/輸出點各1個，用于主機轉(zhuǎn)速的給定和主機工作電流的測量，如圖2所示。

輸出模塊CTS7 222兩個共16輸出點，用于色標(biāo)區(qū)加熱、部分機頭區(qū)加熱、料筒區(qū)冷卻、牽引機運行、色標(biāo)電機運行、主機風(fēng)機運行的控制。

圖2 PLC外部接線

測溫模塊CTS7 231三個共24個測溫點，用于料筒、機頭及色標(biāo)各個區(qū)域的溫度測量。

模擬量輸出模塊CTS7 232一個，用于色標(biāo)電機及牽引電機轉(zhuǎn)速的輸出控制。

2.2.2 直流調(diào)速及變頻器外部接線

擠出機要求螺桿以恒定的轉(zhuǎn)速、恒定的壓力將融化的物料推入模具。SJS90單螺桿塑料擠出機的螺桿采用Z4-250-Z1型185kW直流電機驅(qū)動，具有啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速性能好的優(yōu)點，電機的控制采用歐陸直流調(diào)速590 SSD，可實現(xiàn)螺桿轉(zhuǎn)速在10-120r/min范圍內(nèi)的無級調(diào)速，其外部接線如圖4所示。

為保證牽引電機轉(zhuǎn)速和色標(biāo)擠出電機轉(zhuǎn)速同步，對這兩臺電動機的速度采用變頻控制。設(shè)備選用ABB ACS 550型變頻器，它們不僅性價比高，且配有梳型配線蓋板，接線更方便，更換同系列變頻器時，不需拆線，只要把原來變頻器的控制端子安裝到新變頻器上即可。通過監(jiān)視器還可以使各部件在接近使用壽命前自行診斷并報警輸出。

兩臺變頻器的外部接線如圖3所示，圖中M1為色標(biāo)電機，M2為牽引電機。

3 程序設(shè)計及參數(shù)設(shè)置

3.1 控制程序

單螺桿塑料擠出機正常工作時，由加料斗借助轉(zhuǎn)動的螺桿把原料送至已加熱到指定溫度的料筒中，原料受熱熔化成流體狀態(tài)，在螺桿作用下完成攪拌、剪切、混煉、塑化并隨之不斷前進，在機頭處通過口模成型輸出成品。

圖3 直流調(diào)速及變頻器接線

SJS90單螺桿塑料擠出機的工藝流程是一種典型的順序動作控制過程，設(shè)備首先要對筒體進行加熱，筒體溫度達到設(shè)定值（180～220°C）并保溫一段時間（90min以上）后，依次進行主機及色標(biāo)電機、牽引電機的預(yù)調(diào)速—啟?？刂啤ㄋ?。控制過程中，若主機風(fēng)機未啟動，則鎖定主機，不能啟動（控制電路實現(xiàn)），控制流程如圖4所示。

3.2 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置主要是通過觸摸屏即人機界面完成，本設(shè)備中人機界面的設(shè)計包括三層：開機時的歡迎及語言選擇界面、主菜單界面、溫度設(shè)置及顯示界面、主機參數(shù)設(shè)置及主機監(jiān)視界面，可實現(xiàn)對全線各區(qū)溫度的設(shè)置及顯示、主電機的參數(shù)設(shè)置及運行狀態(tài)顯示等功能。

圖4 控制流程圖

4 結(jié)語

設(shè)備的運行過程采用PLC、變頻器控制，擠出能力300kg/h，可適用于軟、硬聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等不同原料的加工，產(chǎn)品外形根據(jù)機頭模具的不同可為管、棒、帶形、吹塑薄膜、拉線、吹瓶及包制電線、電纜的絕緣層等。本設(shè)備投入市場后性能穩(wěn)定，操作便捷、產(chǎn)品質(zhì)量符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，得到客戶的一致好評。