废旧塑料回收造粒机温度控制系统设计Word下载.docx

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最后，对控制系统进行了硬件和软件的设计,硬件部分详细分析各个设备的选型和硬件的总体配置,主要包括：

温度传感器的选型；

确定加热器的类型；

确定好加热器驱动器的选择；

选择合适的PLC以及相关模块；

设计出电气原理图，PLC控制原理图。

软件部分介绍本控制系统程序结构,详细分析了温度控制系统的程序的实现流程，并且进行程序的编写。

第1章绪论

1.1课题研究背景及目的意义

1.1.1课题研究背景

塑料已经诞生一百多年，被广泛应用于工业生产和日常生产之中， 

塑料制品行业是我国轻工业的重要组成部分之一，其中包括薄膜塑料、管材塑料、泡沫塑料、人造皮革塑料、包装塑料用品、容器塑料、日常塑料用制品等下属子行业。

随着塑料制品的应用范围的不断扩大，国内塑料制品行业年均发展速度超过11％，2008年规模以上企业达到1.6万家，产量已达到3713万吨，实现工业总产值9638亿元，约占轻工行业总产值的10%，大约占全国工业总产值1.9%，在国民经济中占有重要地位。

塑料制品的快速发展与环境保护之间的矛盾日益突出。

废旧塑料的回收处理、再生利用已经成为全球关注的热点问题。

塑料回收再利用产业发展现状国外情况如下：

（1）国外情况：

据世界观察研究所公布的数据显示，全世界每年塑料制品回收再利用率不到10%。

欧洲国家的回收率相对较高，2007年欧洲包废旧塑料的回收再利用率超过50%，比2006年提高3%。

其中，废旧塑料循环利用率占20%，废旧塑料能量回收率约占32%。

欧洲的七个国家（瑞典、丹麦、荷兰、奥地利、瑞士以及德国）2007年的废旧塑料回收再利用率高达80%以上，但是欧盟还有一半的成员国的废旧塑料的回收率仍然低于30%。

日本的塑料回收利用率也达到了26%。

上述国家不仅废旧塑料回收利用水平相对较高，而且提出了绿色设计的要求，可回收、易回收成为产品原料的首选和产品设计的前提。

把“绿色制造”引入产品的整个生命周期，包含“绿色原材料、绿色设计、绿色生产、绿色包装和使用、绿色回收与处理”等各个环节，其中“绿色原材料”及“绿色包装和使用”将对塑料制品行业产生重大影响。

对此，塑料产业界专家建议，面对越来越多、越来越严格的国内外环保法规，国内塑料企业应积极应对，提高塑料原材料及制品的环保标准，抓紧开发新型环保塑料助剂，并加快有毒有害物质的替代进程。

（2）国内情况：

我国塑料原料十分短缺，进口量大，还有大量的废旧塑料进口。

中国已经成为全球最大的废旧塑料市场和再生利用国，同时也是全球废旧塑料进口量最大的国家。

目前，国内塑料制品回收再利用仍处于起步阶段，废旧塑料回收利用率很低，废弃塑料及其包装物回收利用率还不到10%，发展前景广阔。

国内除塑料包装制品外，塑料制品的报废高峰期还未到来，但是随着多年消费后塑料的累积，国内废弃塑料量呈快速增长趋势，市场潜力巨大。

塑料回收再利用产业遇到了前所未有的发展机遇，塑料再生市场规模不断扩大，投资活跃，正发展成为回收加工集群化、市场经营专业化的新型环保型产业。

塑料回收、再生行业在我国具有广阔的前景。

塑料业是国民经济的重要产业。

塑料再生既可节约资源，缓解塑料原料供需矛盾，又保护环境，是塑料业持续发展的必由之路。

1.1.2课题研究的目的及意义

废旧塑料回收、再利用产业遇到了前所未有的发展机遇，塑料再生市场规模不断扩大，投资活跃，正发展成为回收加工集群化、市场经营专业化的新型环保型产业。

塑料再生既可以节约资源，缓解塑料原材料供需矛盾，又可以保护环境，促进人与自然和谐发展，是塑料业持续、健康发展的必由之路。

废旧塑料回收再生利用立足国内，以进口为补充，是资源型环保产业和循环经济的一部分。

中国每年回收再生废塑料1500万吨，等于节约或减少进口1300万吨塑料原料，等于节约或减少进口大约3000-4500多万吨原油。

回收再利用废旧塑料同时减少多达800万吨的垃圾填埋，大量减少乙烯炼制过程中产生大量的二氧化碳、二氧化硫的排放。

相对于从原油炼制的塑料来说，还可节约72％的能量消耗。

塑料原料供应可以通过废塑料回收再生利用从而得到重要的补充。

废旧塑料的回收再利用可以有效地缓减资源紧张。

目前废旧塑料循环利用有以下作用：

有利于环境的保护、可以扩大就业、增加地方税收以及从今促进区域循环经济的发展，有力地推动了节能减排工作。

通过废旧塑料的回收再利用为巩固中国制造的低成本竞争优势，为中国的经济建设、循环经济发展以及环境保护事业做出贡献。

从废旧塑料回收加工的污染防治方面考虑，积极引导、扶持一批有规模和水平的废旧塑料加工基地，逐步取消作坊式的工厂，改进分类技术，将有效减少废旧塑料回收加工过程对环境污染。

塑料行业应该以绿色经济为理念，彻底贯彻国家有关于科学发展、节能减排、和谐社会以及循环经济等相关政策，大力推广用塑料再生制制品、努力提高废旧废塑料回收再利用的水平，努力建设环境友好型的和谐行业，促进塑料产业健康可持续发展。

因此本课题具有重大的现实意义。

1.2课题研究的基本内容

本课题着重研究塑料造粒机的温度控制系统，主要内容包括：

先通过分析塑料造粒机的工艺流程,提出了温度控制系统的总体方案。

然后对控制系统进行了硬件和软件的设计,硬件部分详细分析各个设备的选型和硬件的总体配置,主要包括：

选择合适的PLC以及相关模块。

软件部分介绍本控制系统程序结构,详细分析了温度控制系统的程序的实现流程。

1.3论文的基本框架

本文主要设计一套基于PLC技术的塑料造粒机温度控制系统。

该系统实现了系统的数据采集和处理、机筒和机头的温度控制以及电机控制，论文共四章，其机构框架图如图1-1所示：

图1-1论文结构图

第2章造粒机温度控制系统总体方案

2.1塑料造粒机的介绍

塑料造粒机是废旧塑料的处理回收再利用的重要设备，挤塑机是塑料造粒机的主机，它由挤压系统、传动系统和加热冷却系统三部分组成。

（1）挤压系统：

挤压系统包括螺杆、机筒、料斗、机头。

塑料通过挤压系统而塑化成融融状态，并且在挤压杆压力的作用下挤出机头。

（2）传动系统：

传动系统的主要作用是驱动螺杆，供给螺杆在挤出过程中所需要的力矩和转速，通常由电动机、减速器和轴承等组成。

（3）加热冷却装置：

加热与冷却是塑料挤出过程能够进行的必要条件

塑料再生造粒的工艺流程是:

废旧塑料加入料斗后,在螺杆旋转挤压作用下压实、熔融最后通过机头挤出成条状或带带状,再由切粒机切成颗粒,废旧塑料经过再生造粒后,只是改变了塑料的外观形状,其化学特性并没有发生改变,依然具有很好的综合材料性能,实现了废旧塑料的回收再利用，目前废塑料的再生造粒方法主要有两种:

湿法造粒工艺和干法造粒工艺：

（1）湿法造粒基本工艺流程如图2-1所示:

图2-1湿法造粒基本工艺流程图

通常废旧的塑料在不同程度上有污渍、泥土等,这些杂质会对再生塑料制品的质量产生严重的影响,我们通过增加破碎以及清洗的工序来去除泥沙等杂质达到提高回收产品的纯度的目的,因此破碎和清洗是湿法造粒工艺流程中两个关键的环节，湿法造粒工艺是目前世界上采用最为普遍的一种，因此工艺比较成熟，产品提纯率较高。

（2）干法造粒基本工艺流程如图2-2所示:

图2-2干法造粒基本工艺流程图

干法造粒工艺只不过省去了清洗和脱水两个工艺,但是增加了分离除杂质这一道工艺,其目的是去除废旧塑料中含有非粘贴型杂质等，最常见的分离方法是手工分离。

干法造粒一般应用很少。

塑料造粒机特点：

⑴所有回收料经分类和破碎清洗后不需甩干或烘、晒干，即可生产，干湿两用。

⑵从原料破碎、清洗、进料到制成颗粒均为自动化。

⑶充分利用高压摩擦不间断升温系统，自动加热生产，避免了连续加热，省电节能。

⑷采用分体全自动配电系统，确保电机安全正常运转。

⑸螺杆料筒均采用进口高强度优质碳素结构钢制造，经久耐用。

本课题主要对塑料造粒机的温度、电机进行控制。

2.2温度设置及控制器介绍

2.2.1温度设置

温度在塑料造粒机生产工艺中极其重要，温度的控制对挤出制品的质量影响非常大,贯穿于造粒的废旧塑料加入以及到最后切粒整个挤出过程之中。

在造粒过程中物料的热量主要来源于料筒外加热器传导的热量和物料被压实沿螺槽移动过程中与料筒、螺杆及物料之间相互作用所产生的热量。

物料在挤出生产过程中,根据工艺控制的要求,机筒内各段所需温度是不一样的且相互间具有一定的温度梯度。

温度的控制包括对料筒和机头的温度控制。

温度控制一共十段，其中七段主要是加热，三段主要进行保温；

其中它们的温度设置如表2-1，

表2-1各段温度设置

加热1段

加热2-7段，

保温1-3段

温度

190-200

300-500

180-200

2.2.2温度控制控制器选型

在国内的塑料造粒机温度控制系统中，主要存在三种控制类型：

（1）继电器控制

（2）单片机控制

（3）PLC控制

随着工业自动化控制技术的飞速发展和产品档次的提高，继电器控制故障率高，所以现在采用的很少，单片机控制由于编程复杂，所以现如今大多塑料造粒机采用PLC控制系统，生产自动化程度的大幅度提高，有利于降低生产成本，有利于提高产品的产量、质量以及产品的竞争力。

本课题致力于研究一套实用的基于PLC的造粒机温度控制系统，PLC在造粒机温度控制系统中的应用的意义在于：

（1）提高产品质量。

（2）减轻工人劳动强度，适当降低操作技术水平。

（3）提高劳动生产率，减少在制品数量，加速资金周转。

（4）缩减生产面积，节约能源消耗，降低产品成本。

PLC是英文“ProgrammableLogicController”的缩写，中文名字为可编程控制器，它是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

是在20世纪60年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。

它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，取代各种类型的机械或生产过程的继电器控制系统。

可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。

本课题选用西门子公司的小型S7-200系列PLC.其扩展丰富，应用广泛，编程简单。

2.3温度控制电气总体设计

塑料造粒机电阻加热装置原理示意图如图2-2所示：

一共十个加热器，其中七个主要用于加热，三个分别进行保温，由于各段温度不同，所以采取分段加热独立控制，总功率大约为13.2KW左右，额定电流大约为60A,用220V交流电进行供电。

图2-2造粒机电阻加热原理图

单个控制器原理如2-3所示：

图2-3单个控制原理图

2.4温度控制软件总体方案

因此,挤出机机筒内加热装置系统采用的是独立分段控制,以保证挤出生产过程能顺利进行。

本系统的温度控制是通过热电偶测量每段的温度,通过PLC的输出控制固态继电器通断,从而驱动每个加热区的加热器来达到其设定温度。

本温度控制系统涉及到十个温度量，七个用于加热，三个用于保温；

总体控制方框图如图2-4所示：

图2-4总体控制方框图

第3章温度控制系统的硬件设计

通过对塑料造粒机工艺流程的分析，确定了温度控制的总体方案。

本温度控制系统选用西门子S7-200系列PLC,为满足本温度控制系统的控制要求,本系统还应该增加还包括温度传感器,加热器,固态继电器等硬件设备。

3.1S7-200PLC系统

S7-200是西门子公司的小型PLC,具有强大的集成工艺功能以及可扩展灵活、方便等特点,为各种生产工艺任务提供了简单、有效的解决方案,完全能够满足不同的自动化需求。

S7-200系列的PLC的灵活性很高,用户可以根据自己的生产任务的需要来确定PLC的结构,S7-200系统的扩展也十分灵活、方便。

一个完整的PLC系统主要由CPU模块、信号模块、电源模块和通信模块等组成,另外用户还可根据自己的任务需要进行灵活的设计，此外还可以配备一些具有特殊功能的模块,例如本温度控制系统需要增加三个热电偶模块，这些特殊的功能模块同样也是PLC硬件的组成,它们的性能及特点决定了PLC的功能。

因此,只有正确地选择适当的模块,才能满足温度控制系统对PLC的要求。

S7-200PLC的硬件组成如图3-1所示:

图3-1S7-200PLC的硬件组成

3.1.1CPU模块

CPU模块是PLC硬件的核心部分，PLC的主要性能如速度、规模都由它来体现,S7-200PLC的CPU模块包括CPU、电源、输入信号处理回路、输出信号处理路、存储区、扩展模块接口。

CPU模块实际上是一台计算机,它的作用是将用户编好的程序进行编译处理、调度、管理、运行系统程序。

S7-200系列PLC不同的CPU模块具有不同的特性以及功能,用户针可以通过这些特性与功能对不同的工艺任务提供有效的解决方案。

3.1.2信号模块

信号模块用于扩展PLC控制器的输入和输出通道数目同时可以使CPU增加许多附加功能，例如本温度控制系统就需要增加三个热电偶温度检测模块。

3.1.3通信模块

PLC通过通信模块与计算机进行通信,可以对PLC进行现场调试，是PLC控制系统中重要的组成部分。

3.1.4电源模块PS307

电源模块为SIMATICS7-200系列PLC提供稳定电源,供PLC正常工作，是PLC硬件系统中必不可少的一部分。

在以S7-200为核心的PLC温度控制系统中,输入输出接口分别用于接收输入信号和输出控制信号,是连接外部的现场设备和CPU模块的重要纽带。

输入部分用来接收和采集来源于按钮、热电偶、等的输入信号，输出的是把接收到的输入信号经过CPU处理后,转换成用来控制接触器继电器、电机等被控设备。

在现代科学技术的不断发展的情况下,I/O设备的功能会日渐完善,与PLC进行人机对话将更加智能化、人性化。

通过第二章对塑料造粒机工艺流程的分析,首先应确被对象的输入输出点数。

本温度控制系统一共涉及到数字量输出12个,温度模拟量输入10个，数字量输入4个，按照输入输出总点数的10%-20%的余量考虑,本次毕业设计选择CPU226,它具有24点输入/16点输出数字量，最多可以扩展7个信号模块,最多可以扩展到256点数字量及54点模拟量。

另外需要配置三个四位热电偶模拟量输入模块EM231，两个电源模块PS307。

该温度控制系统的PLC各模块排布图如图3-2所示：

图3-2PLC各模块排布图

3.1.5PLCI/O分布

CPU226各输入分配表如表3-1所示：

表3-1CPU226各输入分配表

输入地址

输入方式

功能说明

I0.0

按钮1

主电机启动

I0.1

按钮2

主电机停止

I0.2

按钮3

排风电机启动

I0.3

按钮4

排风电机停止

CPU226各输出分配表如表3-2所示：

表3-2CPU226各输出分配表

输出地址

Q0.0

加热一段

Q0.1

加热二段

Q0.2

加热三段

Q0.3

加热四段

Q0.4

加热五段

Q0.5

加热六段

Q0.6

加热七段

Q0.7

保温一段

Q1.0

保温二段

Q1.1

保温三段

Q1.2

主电机

Q1.3

排风电机

EM231热电偶模块输入地址分配如表3-3所示：

表3-3EM231热电偶模块输入地址分配

AIW0

热电偶1

加热一段温度

AIW2

热电偶2

加热二段温度

AIW4

热电偶3

加热三段温度

AIW6

热电偶4

加热四段温度

AIW8

热电偶5

加热五段温度

AIW10

热电偶6

加热六段温度

AIW12

热电偶7

加热七段温度

AIW14

热电偶8

保温一段温度

AIW16

热电偶9

保温二段温度

AIW18

热电偶10

保温三段温度

3.2温度传感器选型

本课题用到可精确测量温度传感器，通过温度传感器准确测量温度并实施控制，热电阻和热电偶温度传感器是接触式温度测量仪表中最常见的的两类。

热电阻和热电偶性能比较如表3-4所示：

表3-4热电阻和热电偶性能

由上表可以看出,热电偶传感器的一些性能不如热电阻,但它的成本低,点感测性能很好，经济实用，完全能满足塑料造粒机生产过程中温度控制系统的要求。

因此,本系统选用热电偶温度传感器来测量各段的温度。

热电偶的工作原理是：

热电偶测温的基本原理是热电效应。

在由两种不同材料的导体A和B所组成的闭合回路中，当A和B的两个接点处于不同温度T和To时,在回路中就会产生热电势。

导体A和B称为热电极。

温度较高的一端叫工作端（通常焊接在一起）；

温度较低的一端叫自由端（通常处于某个恒定的温度下）。

根据热电势与温度函数关系从而测出温度，这就是热电偶测量温度的基本原理。

根据说明，本课题将采用安徽天康生产的K型热电偶传感器RNG-430，测温范围0-800℃，适合高温高压场所的温度测量与控制。

温度传感器与热电偶模块EM231的连线图3-3如下所示：

图3-3热电偶模块EM1231的连线图

3.3加热执行器选择

目前塑料机械加热最常见的是电加热，因为它适用于很大的温度范围,效率较高，成本低并且易于维护，电加热主要分为电阻加热和电磁加热。

电磁加热的原理是利用电流产生的电磁场在金属内感应出涡流电,涡流电通过电阻产生一定的热量来加热料筒和机头。

电感加热具有效率高、热损耗少、加热均匀、温度梯度低、加热时间短等优点,但其成本较高,维护不方便。

如果电感加热的某个地方出现故障,往往必须将它地方一起拆下来维修,因此,电感加热这种加热方式被釆用的不多。

电阻加热的原理是利用电流通过导体产生一定量的热来加热料简和机头。

常见的电阻加热器有：

不锈钢云母加热器、陶瓷加热器以及铸铝加热器等。

不锈钢电云母加热器以0.3--0.5mm不锈钢板为外壳，中间以高绝缘性耐高温的云母板为芯，均匀绕以各种标准规格的镍铬合金电阻丝作为发热体，经成型机加工成各式所需形状。

不锈钢云母加热器虽然具有加工简单，工作可靠，使用方便，升温迅速，热效率高，耗电量小等优点，但是同时也存在着容易破碎，功率密度有限并且不太可靠等缺点，相比于不锈钢云母加热器来说，陶瓷电阻加热器具有工作可靠寿命长、坚固耐用，节约能源，具有安装灵便、耐高温、传热快、绝缘良好，采用的是