在塑料挤出设备中，机筒和模具内熔融物料的温度直接影响了挤出制品的质量，为精确控制物料在螺杆内输送段、压缩段和计量段的温度以及模具内芯模、口模的温度。塑料管材挤出生产线的测温点和加热块都分区布置。在一些大口径管材挤出生产线中，温度分区多达50-60个。温度分区的多少直接关系到控制系统的成本。以西门子S7-200可编程序控制器为核心构建的控制系统，最大测温路数为32路，已不能满足温度测量的要求。如果升级到西门子S7-300可编程序控制器，则成本会大幅增加。
【摘要】运用分时扫描原理对西门子S7-200PLC的温度输入模块进行分时控制，在测温模块数量不变的情况下。运用分时扫描控制器获得成倍数量的测量回路。达到简化系统配置和节省成本的目的。文章对分时扫描的原理和其在塑料管材挤出设备中的运用进行研究。
【关键词】工业论文投稿,PLC,温度控制,挤出机,分时扫描
1引言
根据挤出机机筒、模具温度变化滞后性大，温度的上升或下降变化速率慢的特点。通过研究分析，采用分时扫描的原理能很好处理上述问题。基于西门子温度测量模块6ES7231-7PF22-0XA0的通道更新周期为405ms，如果以500ms的间隔周期轮流将测温热电偶与温度测量模块某一通道（如：AIW0）接通，控制系统就能通过同一通道得到多个热电偶的温度值。以一个通道外接四个热电偶进行分时扫描为例。一个西门子温度测量模块6ES7231-7PF22-0XA0具有八个通道。采用分时扫描技术后，测温能力扩展至32个热电偶。系统的组态能力大大提高。以前S7-200系统不能应用的大口径管材生产线，采用两个温控模块就能达到64个热电偶的测温能力，系统还可有剩余的5个模块扩展能力用于数字量DI、DO和模拟量AI、AO使用。采用分时扫描设计后，单个热电偶温度更新周期是2S，对于塑料挤出生产线，这样的更新周期已完全能满足生产和质量控制的要求。
2系统硬件配置
系统采用德国SIMENS公司S7-200可编程序控制器为控制核心。以EM231模拟输入热电偶模块为测温元件，配合分时扫描控制器、数字量输出单元、加热单元和其它控制元件组成一套测温、控温和挤出机生产线速度控制的生产系统。
系统工作时，热电偶感知机筒、机头模具的温度变化，在CPU单元的控制下，分时扫描控制器分批将温度值送入PLC寄存器。经过PLC运算处理后，生成脉宽可调的脉冲信号，控制固态继电器通断。达到加热或冷却，控制温度的目的。
图1系统硬件结构组成
3分时扫描工作原理
分时扫描控制器借鉴单片机系统中对模拟量通道的选通原理，在单片机运用中，程序对控制寄存器的通道选择位进行设定，选择公共通路与哪一个模拟输入端接通，单片机系统就能采集到相应通道的测量值。在分时扫描控制器中，系统的作用过程是，PLC控制器按固定时间频率输出开关信号A0、A1，两路开关信号经二进制四选一译码器CD4555B解码后在引脚4-7中选择输出引脚。选通信号经放大电路MC2004A处理后驱动继电器IC1，IC2等动作；继电器的两个常开触点的一端连接着热电偶传感器的两个信号端，两个常开触点的另一端连接PLC测温热电偶模块的输入端。当继电器吸合时，当前通道的热电偶产生的电压信号就传送到了PLC温度测量模块，当继电器断开时，当前通道的热电偶信号也处于断开状态，控制器把通道的占用权转交给其它吸合的继电器单元。在PLC的控制下，继电器按固定的频率，固定的时序依次轮流接通、断开，各个通道的热电偶温度值就依次送入控制器PLC处理单元中。
图2分时扫描工作原理图
4分时扫描控制器硬件设计
分时扫描控制器是由集成电路IC、电子器件和PCB电路板制成的控制单元。它具有集成度高，结构紧凑，接线方便，可靠性高等优点。在设计分时扫描控制器时，由于热电偶产生的热电势是微伏级的弱电压信号，在进行分时切换时需要减少外部电路对信号的干拢。使用三级管、固态继电器等电子元件导通或断开热电偶与PLC温度输入模块之间的连接时，不仅会将控制电路的电压信号引入到测量电路中，通道间还会相互干拢，在实际运用中还出现热电偶接触到较高的静电电压导致控制板控制电路的损坏。在经过方案对比和多次试验测试，分时扫描的执行元件选用12V小型继电器。继电器的开个常开触点分别控制热电偶的两端与PLC测温模块的通断，通道之间，控制线路和测量线路之都有非常好的物理隔离，可以满足测量精度的要求。
S7-200PLC晶体管输出的24Vdc电平控制信号，在驱动控制电路前，采用4个10KΩ电阻将其分压为12Vdc电平信号。分压后的PLC输出信号送到译码器CD4555B，译码器对PLC的二进制信号进行译码输出，当PLC的2个输出位为00时，译码器通道1接通，其余通道关闭；当输出位为01时，译码器通道2接通，其余通道关闭；当输出位为11时，译码器通道4接通。这样通过PLC的2个输出位的切换组合，就能分时切换4个通道的通断。CD4555B的输出信号经放大IC电路MC2004A放大后，就可以直接驱动小继电器的线圈电路。这样通过PLC输出A0，A1的切换，分时扫描控制器在译码器的每个通道接通8个小继电器，分别将8个热电偶接入PLC的8个输入通道。4个不同的译码器通道，就分时接入了4组不同热电偶传感器。总共就接入了32个热电偶信号。
5PLC编程
采用分时扫描控制器后，单个PLC模拟量热电偶输入通道内，包含4个热电偶传感器的信号。及时准确地采集出所需热电偶传感器的测量结果需要对PLC进行编程控制。
（1）确定扫描周期。分时扫描控制器的分时扫描周期是由PLC的输出位切换时间决定的。确定切换周期时，首先要满足PLC模拟量通道的更新周期要求。其次，热电偶切换过程中，PLC热电偶模块输入端的电压信号不会理想地阶跃变化，而是由上一个热电偶电压值到下一个热电偶电压值的渐变，经过一段时间后才达到热电偶传感器的实测电压值。如果在通道切换后就立即读入通道值，则读入的温度值是不准确的。所以在编程时，在一个通道切换后，必需保持足够的时间。通过我们测试研究，保持时间0.5秒至1秒再读入通道值，就能得到当前热电偶的准确温度值。
（2）分时扫描通道切换。PLC对用于分时控制的数字量输出是通过定时器控制的。定时器T0在4个切换周期内循环定时运时。当T0=0时，先接收译码器通道4数据，再置PLC输出位为00，接通译码器通道1；当T0=3*周期时，先接收译码器通道3数据，再置PLC位输出为11，接通译码器通道4；当T0=4*周期时，复位T0。
（3）PLC系统温度控制。常规的温度控制，一般采用PID算法。但S7-200系统只配置了8个标准的PID控制通道。在采用分时扫描控制器后，需要控制的温度通道达32-64个，系统自带的PID通道不能满足要求。编制PID算法不仅需要专业的数学功底，在运用时也需要较大的工作量进行整定调试。大量PID算法本身也给PLC系统造成了巨大的运算压力，使得PLC系统扫描周期延长，反应迟钝。结合塑料挤出设备本身的特点。经过测试分析，在温度控制时限制温升加速度，采用脉宽调制就能达到理想的控制效果。此方法在温度偏差大时，以最高温升加速度加热。在实测温度接近设定温度时，以可调的脉宽输出加热，越接近设定温度，加热的脉宽越小。在工程运用中，此方法设计的PLC程序的适应性强，调试简单，控制静态误差小于±1℃。
6结束语
本文对分时扫描原理在西门子S7-200PLC的温度输入模块中的应用进行研究，在测温模块数量不变的情况下。获得成倍数量的测量通道。达到简化系统配置和节省成本的目的。按分时扫描原理制成的控制器配合S7-200PLC已在塑料管材挤出生产线中得到广泛的运用。安装此设备产品已出口多个国家并稳定运行多年。产生了显著的经济效益。
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