董添文，陳　富，柳和生，黃益賓，章　凱，余　忠，顧　磊

（上饒師范學院，江西省塑料制備成型重點實驗室，江西上饒 334001）

基于PLC和觸摸屏的氣輔擠出氣體控制系統的設計*

董添文，陳富，柳和生，黃益賓，章凱，余忠，顧磊

（上饒師范學院，江西省塑料制備成型重點實驗室，江西上饒 334001）

基于PLC和觸摸屏設計了一套氣體控制系統。其包含的氣體加熱裝置為內含加熱棒的容器。該容器上安裝有壓力與溫度傳感器。當觸摸屏設置的目標控制參數與檢測到的值存在偏差，可編程邏輯控制器（PLC）將進行比例積分微分（PID）運算與脈寬調制（PWM），并將轉換后的控制信號分別輸出到氣壓電磁閥與固態(tài)繼電器（控制加熱棒），最終實現氣體壓力與溫度的調節(jié)。經試驗證明，該系統控制精度高，人機界面簡潔美觀，具有良好的可擴展性，在聚合物氣輔擠出實驗中運行穩(wěn)定。

氣體控制；可編程邏輯控制器；觸摸屏；脈寬調制

氣體輔助擠出成型技術（以下簡稱氣輔擠出）通過在聚合物擠出成型模具中引入氣體，使聚合物熔體與模具內表面之間形成一層氣墊，可改善模具內的應力集中，降低模具壓降，從而減小擠出脹大率，提高擠出產品質量［1-2］。氣輔擠出中，氣體壓力與溫度是氣墊層的形成與穩(wěn)定的關鍵因素［3］。若氣體不進行控制而輸入到模具，隨著氣泵中氣體的減少，氣壓逐漸減小，且氣體溫度低于聚合物熔體溫度，氣墊層將無法形成或不穩(wěn)定。目前氣體控制核心主要有三種［4-7］：智能儀表、工控機、可編程邏輯控制器（PLC）。智能儀表成本較低，但它屬于分離控制方式，無法實現系統綜合控制，后期不易維護。工控機與PLC能實現控制系統整合，控制精度高，軟件資源豐富，后期維護或擴展較容易。工控機成本相對PLC更高，因此筆者采用PLC進行氣輔擠出氣體控制系統的設計，采用觸摸屏開發(fā)人機界面。

1 　系統工作原理

圖1為氣輔擠出機及氣體控制系統的實物照片。該系統控制精度高、體積小、成本低、易于維護和擴展。圖2為氣輔擠出氣體控制系統的原理圖。氣體控制系統主要由虛線框內的各部分組成?？刂坪诵氖荘LC和模數（AD）、數模（DA）功能模塊［模擬量輸入輸出（IO）模塊］。觸摸屏用來設置和顯示控制參數。壓力和溫度傳感器是檢測元件（安裝在加熱容器輸出端），氣壓電磁閥和氣體加熱容器內的加熱棒是執(zhí)行元件。氣源三聯體的作用是將從氣泵中輸出的高壓氣體進行減壓和過濾雜質處理，以保護電磁閥。在開始氣輔擠出實驗前，先將擠出機內的聚合物加熱到設定溫度值，再開啟氣體控制系統。當熔體和氣體一起進入模具后，氣體在熔體表面形成氣墊層，氣膜出口是開放的（與大氣相連）。擠出過程中，氣體溫度和壓力是不斷變化的，一旦檢測元件檢測到氣壓和氣溫與觸摸屏設定的值存在偏差，PLC通過內部的程序進行PID運算，并將運算結果經過DA轉換或者PWM調制后，分別輸出到電磁閥和固態(tài)繼電器（控制加熱棒），從而實現氣體壓力和溫度的調節(jié)。

圖1　 氣輔擠出機及氣體控制系統

圖2　 氣體控制系統原理圖（主要由虛線框內的各部分組成）

2 　系統硬件結構

圖3是氣體控制系統硬件接線圖。

圖3　 氣體控制系統硬件接線圖

根據實際控制需要，選用了三菱FX1N-24MT型的PLC，該PLC擁有直流輸入14點，晶體管輸出10點。為將來系統擴展需要，選用FX2N-4AD，FX2N-2DA功能（擴展IO）模塊。選用信捷觸摸屏作為上位機，它與PLC通過通訊線連接。選用廣州昆侖自動化公司的KLJYB-KO-HAG型氣體壓力傳感器，測量范圍是：0～1 MPa，輸出4～20 mA直流信號。選用SMC公司的ITV2050-012L氣壓電磁閥，輸入4～20 mA直流信號，輸出0.005～0.9 MPa。壓力傳感器將檢測的壓力線性轉換為4～20 mA的直流信號，PLC通過4AD模塊采集該電流信號并轉換成為0～1 000的數字信號進行PID運算。運算結果為一個0～4 000的數字量。2DA模塊將該數字量轉換成4～20 mA的電流信號，輸出到電磁閥調節(jié)輸出氣壓。

選用PT100型熱電阻作為溫度傳感器，測溫范圍是：0～300℃。需要加一個變送器轉化為4～20 mA直流信號才能輸入到AD功能模塊。氣體溫度加熱元件為三支加熱棒，功率各500 W。加熱棒通過三相固態(tài)繼電器（SSR）與380 V電源連接，采用Y型接法。加熱棒被內置在一個加熱容器內（上海淶恒電熱器廠定制）。加熱容器上開有進氣口、出氣口、氣壓檢測口、氣溫檢測口。變送器、固態(tài)繼電器、壓力傳感器、電磁閥均需要外接24 V直流電源。該系統摒棄了復雜的溫度控制策略［8-9］，系統開啟后，先通過氣體加熱容器上的保護開關進行氣溫粗調到觸摸屏設置的溫度。氣輔擠出實驗中，氣溫一旦有波動，PT100熱電阻通過變送器將所檢測的溫度轉換為4～20 mA的直流電流信號，該信號送4AD模塊轉換為0～1 000的數字量，PLC進行PID運算，運算結果再通過PWM指令轉換為脈寬調制信號，該信號通過Y0輸出到SSR對加熱棒的加熱時間進行控制，從而實現氣體溫度的精確控制。

3 　系統軟件與人機界面的設計

為適應工業(yè)油污環(huán)境，選用信捷TH765-MT型觸摸屏［10-11］。該屏為7英寸65 536色800*480分辨率觸摸屏，支持RS422串口標準與三菱PLC進行通訊。圖4為觸摸屏人機操作界面。

圖4　 觸摸屏人機操作界面

該界面采用“TouchWin”組態(tài)軟件在PC機上進行設計，然后通過USB數據線下載到觸摸屏。系統開啟后，進入主界面，點擊“歡迎進入系統”則進入壓力控制界面，通過按鈕可以在壓力控制界面、溫度控制界面，以及主界面之間相互切換。點擊進行數據輸入時，會彈出數字鍵盤進行設定。通過“TouchWin”設計數據輸入框與PLC的數據寄存器相互關聯，保證了界面上顯示的數據與PLC寄存器內數據一致。圖5為氣體控制系統軟件流程圖［12］。根據該流程圖，采用PLC編程軟件GX Developer編寫梯形圖。首先通過觸摸屏進行控制參數的設定；然后進行AD采樣（見圖6），讀取溫度傳感器和壓力傳感器檢測到的信號，進行氣體壓力的PID控制運算（見圖6），PID控制參數的整定通過現場試湊完成；最后進行DA轉換，輸出到氣壓電磁閥。

圖5　 氣體控制系統軟件流程圖

圖6　 AD采樣及氣體壓力控制PID指令

氣體溫度的控制主要采用PID運算和脈寬調制指令PWM來實現。如圖7所示，脈沖周期為10 000 ms，PID運算后的值（在圖7中D404，小于10 s）經PWM進行脈寬調制，調制后的脈沖信號經數字量輸出口Y0輸出到固態(tài)繼電器，最后用來控制加熱棒。

圖7　 氣體溫度控制主要指令

4 　結語

采用PLC與觸摸屏結合的方式開發(fā)氣輔擠出氣體控制系統，結構緊湊，安裝調試方便。觸摸屏配套的組態(tài)軟件可以設計出界面美觀、功能強大的人機交互界面。PLC配套的GX Developer編程軟件、PLC中提供的PID運算和PWM指令為氣體壓力和溫度的控制提供了極大的便利。本氣體控制系統實現了氣體壓力與溫度的自動控制，控制精度高，運行穩(wěn)定，提高了工作效率。本系統在氣輔擠出實驗中運行情況良好。

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Design of Gas Control System for Air-Assisted Extrusion Based on PLC and Touch Screen

Dong Tianwen， Chen Fu， Liu Hesheng， Huang Yibin， Zhang Kai， Yu Zhong， Gu Lei
（Shangrao Normal University， Jiangxi Province Key Laboratory of Polymer Preparation and Processing， Shangrao 334001， China）

A gas control system was designed based on programmable logic controller （PLC） and touch screen. Gas heating device within the system was a container with a heating rod. A pressure sensor and a temperature sensor were fixed in the container. When the values detected by the sensors deviate from the values set in touch screen，instructions such as proportion integral derivative （PID） and pulse width modulation （PWM） would be executed by PLC. Thus，it send control signals to a electro-pneumatic valve or a solid state relay that was used to control the heating rod. As a result，the gas pressure and temperature would be adjusted. The test result show that the system has high control precision，simple and beautiful man-machine interface and good expansibility. It runs stably in the experiment of polymer gas -assisted extrusion.

gas control；programmable logic controller；touch screen；pulse width modulation

TQ320.5+

A

1001-3539（2016）09-0075-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.09.016

*江西省科技廳科技計劃項目（20141BBE50014），江西省教育廳科技項目（GJJ14718）

聯系人： 董添文，博士，副教授，主要從事聚合物成型理論及設備開發(fā)工作

2016-07-02