在塑料擠出設備中，機筒和模具內熔融物料的溫度直接影響了擠出制品的質量，為精確控制物料在螺桿內輸送段、壓縮段和計量段的溫度以及模具內芯模、口模的溫度。塑料管材擠出生產線的測溫點和加熱塊都分區布置。在一些大口徑管材擠出生產線中，溫度分區多達50-60個。溫度分區的多少直接關系到控制系統的成本。以西門子S7-200可編程序控制器為核心構建的控制系統，最大測溫路數為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，在測溫模塊數量不變的情況下。運用分時掃描控制器獲得成倍數量的測量回路。達到簡化系統配置和節省成本的目的。文章對分時掃描的原理和其在塑料管材擠出設備中的運用進行研究。

　　【關鍵詞】工業論文投稿,PLC,溫度控制,擠出機,分時掃描

　　1引言

　　根據擠出機機筒、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熱電偶與溫度測量模塊某一通道（如：AIW0）接通，控制系統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。采用分時掃描技術后，測溫能力擴展至32個熱電偶。系統的組態能力大大提高。以前S7-200系統不能應用的大口徑管材生產線，采用兩個溫控模塊就能達到64個熱電偶的測溫能力，系統還可有剩余的5個模塊擴展能力用于數字量DI、DO和模擬量AI、AO使用。采用分時掃描設計后，單個熱電偶溫度更新周期是2S，對于塑料擠出生產線，這樣的更新周期已完全能滿足生產和質量控制的要求。

　　2系統硬件配置

　　系統采用德國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、控溫和擠出機生產線速度控制的生產系統。

　　系統工作時，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。經過PLC運算處理后，生成脈寬可調的脈沖信號，控制固態繼電器通斷。達到加熱或冷卻，控制溫度的目的。

　　圖1系統硬件結構組成

　　3分時掃描工作原理

　　分時掃描控制器借鑒單片機系統中對模擬量通道的選通原理，在單片機運用中，程序對控制寄存器的通道選擇位進行設定，選擇公共通路與哪一個模擬輸入端接通，單片機系統就能采集到相應通道的測量值。在分時掃描控制器中，系統的作用過程是，PLC控制器按固定時間頻率輸出開關信號A0、A1，兩路開關信號經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。選通信號經放大電路MC2004A處理后驅動繼電器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測溫熱電偶模塊的輸入端。當繼電器吸合時，當前通道的熱電偶產生的電壓信號就傳送到了PLC溫度測量模塊，當繼電器斷開時，當前通道的熱電偶信號也處于斷開狀態，控制器把通道的占用權轉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，結構緊湊，接線方便，可靠性高等優點。在設計分時掃描控制器時，由于熱電偶產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、固態繼電器等電子元件導通或斷開熱電偶與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熱電偶接觸到較高的靜電電壓導致控制板控制電路的損壞。在經過方案對比和多次試驗測試，分時掃描的執行元件選用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PLC的2個輸出位為00時，譯碼器通道1接通，其余通道關閉；當輸出位為01時，譯碼器通道2接通，其余通道關閉；當輸出位為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的輸出信號經放大IC電路MC2004A放大后，就可以直接驅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，包含4個熱電偶傳感器的信號。及時準確地采集出所需熱電偶傳感器的測量結果需要對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，經過一段時間后才達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，就能得到當前熱電偶的準確溫度值。

　　（2）分時掃描通道切換。PLC對用于分時控制的數字量輸出是通過定時器控制的。定時器T0在4個切換周期內循環定時運時。當T0=0時，先接收譯碼器通道4數據，再置PLC輸出位為00，接通譯碼器通道1；當T0=3*周期時，先接收譯碼器通道3數據，再置PLC位輸出為11，接通譯碼器通道4；當T0=4*周期時，復位T0。

　　（3）PLC系統溫度控制。常規的溫度控制，一般采用PID算法。但S7-200系統只配置了8個標準的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32-64個，系統自帶的PID通道不能滿足要求。編制PID算法不僅需要專業的數學功底，在運用時也需要較大的工作量進行整定調試。大量PID算法本身也給PLC系統造成了巨大的運算壓力，使得PLC系統掃描周期延長，反應遲鈍。結合塑料擠出設備本身的特點。經過測試分析，在溫度控制時限制溫升加速度，采用脈寬調制就能達到理想的控制效果。此方法在溫度偏差大時，以最高溫升加速度加熱。在實測溫度接近設定溫度時，以可調的脈寬輸出加熱，越接近設定溫度，加熱的脈寬越小。在工程運用中，此方法設計的PLC程序的適應性強，調試簡單，控制靜態誤差小于±1℃。

　　6結束語

　　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用進行研究，在測溫模塊數量不變的情況下。獲得成倍數量的測量通道。達到簡化系統配置和節省成本的目的。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線中得到廣泛的運用。安裝此設備產品已出口多個國家并穩定運行多年。產生了顯著的經濟效益。

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