浅析基于西门子S7–300的挤铅机控温系统优化

翁剑

摘要：浅析基于西门子PLC、温控仪、电驱动比例阀等控制元件，优化改进挤出机的加热与冷却控制系统。实现减少用工岗位、减少人工作业不良、完成历史数据的周期保存与可追溯，保障生产过程稳定性和产品品质的提升的需求。

关键词：挤铅机、温控自动化、西门子PLC

引言

金属挤铅机作为海缆生产过程中的重要组成部分，决定海缆成品的阻水性能。国产主流挤铅机，控温冷却部分仍为手工控制，存在一定的质量隐患与不可追溯。得益于由于PLC控制系统、电子元器件的升级，以及暖通与制冷行业，流量精准控制这一技术的成熟运用，使得挤铅控温这一部分智能化控制，具备实现的可能性。

工作原理

螺杆式挤铅机工作原理与挤塑机类似，首先铅锭借助于加热系统高温融化，通过特殊管道将熔融的铅液导流至机身后，逐步降低温度，改变铅液形态，利用主机螺杆旋转推力，把半凝固状铅液，推送出机头，经工装模具成形，形成电缆表面金属包覆层。

铅状态的转换，主要来源于温度控制。控温分为加热和冷却两部分。加热主要依赖于控制加热管的工作与否实现，而当前的冷却主要依靠人为手动调节机身冷却水的大小，来匹配温度控制需求，存在很大的风险，一旦温度波动较大，容易造成停机或者厚度不足甚至漏包等致命的缺陷。

控制系统分析

工艺要求

恒温 温差过大，能够引起铅管壁厚变化。

恒压 挤出压力恒定，保证铅层厚度的均匀。

恒速 铅层厚度的一致性。

控制难点分析

过程最大的难点在于在启动降温过程中，随着螺杆转速的提升，带来大量的热能，增加了对控制的难度。

生产过程：温度控制要求整机控制在一个相对稳定的范围内，即温度波动控制在≤5℃。

手工的控温方式存在着如下缺陷：

对操作人员的技术要求高，需要经1～2年以上的磨合，才能独立上机操作;

操作人员工作、精神压力大，必须实时关注温度，随时准备调节;

调节精度低。

系统设计

加热部分设计思路 保留传统温控仪表，利用固态继电器取代交流接触器，主要是考虑降低故障率的同时，保留便于维修的优点。PLC故障排查专业性较强，目前部分温控仪表，采用PID模式控制，精度控制模式满足实际使用需求。考虑到温度控制的重要与有效性，增加与仪表间的数据通讯，定时采样保留数据，形成历史曲线，便于故障分析与追溯。通过失效模式分析，增加部分关键点的测温，保障实际温度控制的精度与有效性。防止个别元器件失效造成的质量异常。

冷却部分设计思路 保留手动控制部分，增加自动控制支路;形成冗余设计，双备份，应对调试期间的缺陷以及突发故障的临时切换。冷却自动控制部分，主要采用电动比例阀，主要依靠温控仪表根据实时温度，反馈梳理电流驱动信号的辅助输出触点，驱动比例阀。考虑维修便利的同时，减少投资费用。通过控制比例阀的通断程度，控制冷却介质的流量，最终实现自动控温。

硬件选型与组成

PLC的选型

PLC控制系统设计的基本原则：

尽可能满足被控对象的控制需求;

在满足控制要求的前提下，力求系统简单、经济、使用及维修方便。

系统的安全、可靠。

考虑生产的发展和工艺的改进，选择PLC的型号、I/O点数和存储器容量等内容时，留有适当的余量，偏于后期的系统调整和扩充。

温控仪表

主要参考平时使用习惯以及设备本身需求功能，量程控制在：0～ 500℃;控温方式：P.I.D调节。双回路控制，带485通讯功能即可。

冷却元件的选型

电动温控阀是流量调节阀在温度控制领域的典型应用，其基本原理：通过控制（冷）媒入口流量，以达到控制设备温度。当实际与设定值不一致时，通过改变阀门开启度调节流量，使温度恢复至设定值，选型主要依据管径、控制仪表驱动信号源来选择。

控制设计

结合硬件配置，系统控制相对简单。设计硬件选配：PLC电源模块、可编程控制器、输入模块、输出模块、AI模块等;

利用仪表的通讯接口，与PLC进行485通讯，形成历史数据的存储，同时增加的几组利用PLC的AI模块，进行温度的监视，主要在于防止仪表控制失效或者测温单元不准时的二次监视。有利于生产过程控制。

利用西门子S7编程软件或博途，进行编译。（如图1数据通讯、图2温度监视控制）

实际运行效果及后期优化方向

内部改进优化后，温度实际控制精度±2.5℃，远超原先手工控制精度。运行反馈良好，温度控制历史数据的保存与可追溯，实现了设备运行状态的追溯，为设备预知保养，提供了一定数据基础。后期可以进一步优化部分，如水冷系统的精度可以通过增加PLC功能模块，实现双PID精准控制;一键启动，自动按照手工、时间操作顺序运行，减少个人操作经验不同带来的不良等。

參考文献

廖常初. S7–300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2016.

刘华波，何文雪，王雪.西门子S7–300/400 PLC编程与应用[M].北京：机械工业出版社，2015.