CN104834259A - 挤出机单片机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挤出机单片机控制系统，该系统包括电源模块，单片机模块，热电偶测温模块，加热控制模块，冷却控制模块，数字量输入模块，数字量输出模块，模拟量输入模块，摸拟量输出模块，通信模块，人机界面，热电阻测量模块，SD卡模块及调试端口。当前市面上挤出机控制系统分为两类，其一是以继电器、温控表等分散元器件为代表构成的传统控制系统，另一类是为PLC控制系统，前者分散元器件多，线路复杂，可靠性差，自我防护能力差，无通信、交换、存储数据的能力；后者成本高，挤出机厂家还需开发控制程序，制造周期长。新型挤出机单片机控制系统有效解决了上述问题，具有集成度高，可靠性高，成本低，自动化程度高，且具备完善的通信功能。

Description

挤出机单片机控制系统

技术领域

本发明涉及一种挤出机控制系统，特别是涉及一种单片机为核心的挤出机控制系统。

背景技术

随着塑料行业的快速发展，挤出机作为塑料加工的核心设备，其运用日益广泛，同时挤出机的加工特性对塑料产品的性能、生产效率、制造成本等方面均有重要影响。

挤出机包括单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、多螺杆挤出机。

控制系统作为挤出机的大脑，其升级换代对提高挤出机自身的性能、智能化及信息化水平有着至关重要的作用。

当前市面上中低端挤出机采用继电器、温控表等分散元器件进行控制，元器件多，线路复杂，布线工作量大、时间长，系统故障率高，且故障点排查难度大，设备自身的保护能力差，不利于实现自动化，无法与上下游设备或其它信息管理系统通信交换数据。

当前市面上的高端挤出机采用PLC进行控制，线路简化，可靠性有保障，但成本高，且需挤出机厂家自行开发控制程序。

发明内容

本发明提供一种新型挤出机控制系统，以单片机为核心，集成电源模块，单片机复位及晶振电路，热电偶测温模块，加热控制模块，冷却控制模块，数字量输入模块，数字量输出模块，模拟量输入模块，摸拟量输出模块，通信模块，调试端口，热电阻测量模块，SD卡模块，通过触摸屏实现人机交互。新型挤出机控制系统，可有效解决当前市面上以继电器、温控表为核心的分散元器件控制系统存在的诸多不足，以及PLC为代表的控制系统的高成本问题。

 本发明是这样实现的：一种挤出机单片机控制系统，包括电源模块，单片机模块，热电偶测温模块，加热控制模块，冷却控制模块，数字量输入模块，数字量输出模块，模拟量输入模块，摸拟量输出模块，通信模块，人机界面，其特征在于：还包括单片机模块与电源模块、热电偶测温模块、加热控制模块、冷却控制模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、通信模块连接；所述电源模块与热电偶测温模块、加热控制模块、冷却控制模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、通信模块连接；所述电源模块、人机界面与外部直流电源连接。

在本发明的技术方案中：电源模块与外部12V直流电源连接，经过电源芯片稳压滤波后，分别输出5V、3.3V、2.5V直流电压，为其它模块提供直流电源。

在本发明的技术方案中：单片机模块包括单片机、与单片机连接的晶振电路、与单片机连接的复位电路；单片机需具有Flash、RAM、定时器、看门狗、RTC、ADC、DAC、GPIO、SPI、I2C、USART、CAN、SDIO资源。

在本发明的技术方案中：热电偶测温模块包括多个热电偶测量回路，每个热电偶测量回路包括与单片机SPI管脚连接的热电偶测量芯片MAX31855，与热电偶测量芯片连接的热电偶，不同的热电偶与不同热电偶测量回路连接，热电偶安装在挤出机螺筒上，从而实现单片机对挤出机不同温区温度的测量。

在本发明的技术方案中：加热控制模块包括多个加热控制回路，每个加热控制回路包括与单片机IO管脚连接的上拉电阻，与上拉电阻连接的反相器，与反相器连接的光耦达林顿管，与光耦达林顿管连接固态继电器，与固态继电器连接的加热块，不同的加热块与不同回路的加热控制回路连接，加热块安装在挤出机螺筒上，从而实现单片机对挤出机不同温区加热控制。

在本发明的技术方案中：冷却控制模块包括多个冷却控制回路，每个冷却控制回路包括与单片机IO管脚连接的上拉电阻，与上拉电阻连接的反相器，与反相器连接的光耦双向可控硅，与光耦双向可控硅连接的电磁阀，电磁阀安装在挤出机冷却水管道上，不同的电磁阀分别与不同的冷却控制回路连接，冷却水管与挤出机螺筒连接，从而实现单片机对挤出机不同温区的冷却控制。

在本发明的技术方案中：数字量输入模块包括多个数字量输入回路，每个数字量输入回路包括一个部件故障报警触点，与故障报警触点连接的滤波电容，与滤波电容连接的限流电阻，与限流电阻连接的光耦晶体管，与光耦晶体管连接的上拉电阻，上拉电阻连接到单片机IO管脚；部件故障报警触点包括主机故障报警触点，主喂料机故障报警触点，侧喂料机故障报警触点，马达冷却风机故障报警触点，齿轮箱冷却油泵故障报警触点，螺筒冷却水泵故障报警触点，真空泵故障报警触点，分别与不同的数字量输入回路连接，用于单片机检测是否有设备出现故障。

在本发明的技术方案中：数字量输出模块包括多个数字量输出回路，每个回路包括与单片机IO管脚连接的上拉电阻，与上拉电阻连接的反相器，与反相器连接的光耦达林顿管，与光耦达林顿管连接的中间继电器，与中间继电器连接的控制触点；控制触点包括主机驱动器启停触点，主喂料机变频器启停触点，侧喂料机变频器启停触点，马达冷却风机接触器线圈通断触点，齿轮箱冷却油泵接触器线圈通断触点，螺筒冷却水泵接触器线圈通断触点，真空泵接触器线圈通断触点，光电报警灯通断触点，分别与不同的数字量输出回路连接，从而实现单片机对不同部件及报警输出信号的控制。

在本发明的技术方案中：模拟量输入模块包括多个模拟量输入回路，每个模拟量输入回路包括一个部件模拟量输出反馈端子，与模拟量输出反馈端子连接的LC滤波网络，与LC滤波网络连接的运算放大器，与运算放大器连接的电阻分压网络，电阻分压网络连接到单片机ADC管脚；部件模拟量输出反馈端子包括主机转速模拟量反馈，主机电流模拟量反馈，主喂料机转速反馈，侧喂料机转速反馈，熔体温度模拟量反馈，熔体压力模拟量反馈，不同的部件模拟量输出反馈端子分别与不同的模拟量输入回路连接，从而实现单片机对不同部件运行参数的测量。

在本发明的技术方案中：模拟量输出模块包括多个模拟量输出回路，每个模拟量输出回路包括与单片机DAC管脚连接的RC滤波网络，与RC滤波网络连接的运算放大器，与运算放大器连接的滤波电容，与滤波电容连接的部件模拟量给定控制端子；部件模拟量给定控制端子包括主机转速模拟量给定端子，主喂料转速模拟量给定端子，侧喂料转速模拟量给定端子，不同的部件模拟量给定端子分别与不同的模拟量输出回路连接，从而实现单片机对不同部件运行参数的给定。

在本发明的技术方案中：通信模块包括多个通信端口及收发器，分别为USART串口，CAN端口，USB端口，以太网端口；各通信端口分别与单片机对应管脚连接，实现单片机对各通信端口的控制。

在本发明的技术方案中：人机界面为具备与单片机通信功能的触摸屏，或液晶屏与键盘结合的组件，用于人机交换。

在本发明的技术方案中：还包括与单片机连接的JTAG端口，用于程序的调试。

在本发明的技术方案中：还包括与单片机连接的热电阻测量模块，热电阻测量模块包括多个热电阻测量回路，每个热电阻测量回路包括与单片机SPI管脚连接的热电阻测量芯片MAX31865，与热电偶测量芯片连接的热电阻，不同的热电阻与不同的热电阻测量回路连接，热电阻可安装在主机主马达绕组上，用于单片机对主马达绕组温度的测量，也可安装在齿轮箱箱体上，用于单片机对齿轮箱油温的测量。

在本发明的技术方案中：还包括与单片机连接的SD卡模块，SD卡模块包括与单片机SDIO管脚连接的上拉电阻，与上拉电阻连接的SD卡座；单片机可以通过SD卡模块将运行过程数据保存到SD卡中。

本发明的有益效果在于：新型单片机控制系统相对于传统继电器、温控表为核心的控制系统简化了系统，减少了线路，提高了可靠性，同时提升了挤出机自我保护能力，提高了自动化水平、还具备了与上下游设备及管理信息系统通信交换数据能力。新型单片机控制系统相对于PLC控制系统有效降低了成本，便于推广。

本发明的有益效果还在于：新型单片机控制系统集成了诸多功能模块，其中模拟量输出模块的不同回路可分别控制主喂料机变频器频率及侧喂料机变频器频率，从而可以实现在主喂料机转速及侧喂料机转速之间建立比例关系，进而实现主喂料及侧喂料间按比例喂料，这是传统继电器、温控表为核心的控制系统无法实现的。

本发明的有益效果还在于：传统断电器、温控表为核心的控制系统只能对挤出机各节螺筒温度进行独立控制，不能考虑相邻螺筒间的传热问题，而新型单片机控制系统则可以解决此问题。

本发明的有益效果还在于：新型单片机控制系统可以将挤出机运行中产生过程数据及工艺参数记录在SD卡中，或通过通信端口上传给管理信息系统，对产品质量控制、新产品开发及生产管理有着重要作用，而传统继电器、温控表为核心的控制系统无法实现。

本发明的有益效果还在于：新型单片机控制系统加强了对挤出机自身的保护，如防止长时间螺杆空转保护功能，防止螺杆低温运转保护功能，防止润滑油温度过低过高运行保护功能，防止机头压力过高保护功能，及冷却风机、冷却油泵、主机、主喂料机、侧喂料机联锁保护功能等，而传统以继电器、温控表为核心的控制系统没有上述保护功能或不完善。

本发明的有益效果还在于：相对于传统以继电器、温控表为核心的控制系统，新型单片机控制系统将诸多功能模块集成在控制板上，在扩充功能的基础上又使挤出机控制系统得到极大的精简，进而降低了成本和缩短了挤出机制造周期。相对于PLC控制系统，新型单片机控制系统自带控制程序，免去了挤出机制造厂商控制程序开发，同时极大的降低了硬件成本，符合产业发展方向。

附图说明

图1是本发明的控制系统框图。

图2是本发明的单片机模块框图。

图3是本发明的热电偶测量模块中热电偶测量回路框图。

图4是本发明的加热控制模块中加热控制回路框图。

图5是本发明的冷却控制模块中冷却控制回路框图。

图6是本发明的数字量输入模块中数字量输入回路框图。

图7是本发明的数字量输出模块中数字量输出回路框图。

图8是本发明的模拟量输入模块中模拟量输入回路框图。

图9是本发明的模拟量输出模块中模拟量输出回路框图。

图10是本发明的通信模块框图。

图11是本发明的人机界面框图。

图12是本发明的JTAG调试端口框图。

图13是本发明的热电阻测量模块中热电阻测量回路框图。

图14是本发明的SD卡模块框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步说明本发明。

 由图1所示，新型挤出机单片机控制系统包括电源模块，单片机模块，热电偶测温模块，加热控制模块，冷却控制模块，数字量输入模块，数字量输出模块，模拟量输入模块，摸拟量输出模块，通信模块，调试端口，热电阻测量模块，SD卡模块，通过触摸屏实现人机交互。

电源模块由外部12V直流电源供电，内部分别经过REG1117A-5，REG1117-33稳压芯片稳压滤波后输出5V、3.3V直流电压，经过REF3125基准电压芯片稳压滤波后输出2.5V参考电压，供板上其它模块使用，同时此电源模块还具有过热、过流保护功能。

 由图2所示，单片机模块由单片机，复位电路及晶振电路组成。本实例单片机选用STM32F103ZET6。

热电偶测量模块包含多个热电偶测量回路，每个回路如图3所示，热电偶测量芯片采用MAX31855，输入端连接热电偶，输出端连接单片机SPI管脚，可实现单片机对挤出机各节螺筒温度的测量。

 加热控制模块包含多个加热控制回路，每个回路如图4所示，带上拉电阻的单片机IO管脚驱动反相器，反相器驱动光耦达林顿管，光耦达林顿管驱动固态继电器，固态继电器驱动加热块。反相器采用SN74LVC1G04芯片，光耦达林顿管采用TLP627芯片，固态继电器安装在控制柜内，并根据加热块功率选择其规格型号，加热块安装在挤出机螺杆外部。加热回路通断由单片机PID运算结果确定。

冷却控制模块包含多个冷却控制回路，每个回路如图5所示，带上拉电阻的单片机IO管脚驱动反相器，反相器驱动光耦双向可控硅，光耦双向可控硅驱动电磁阀，电磁阀安装在挤出机冷却水管路上。反相器采用SN74LVC1G04芯片，光耦双向可控硅采用TLP360J，电磁阀线圈工作电压为AC220V。冷却回路的通断由单片机PID运算结果确定。

数字量输入模块包含多个数字量输入回路，每个回路如图6所示，故障报警触点输出12V直流电压，经过滤波电容和限流电阻后驱动光耦晶体管，光耦晶体管驱动带上拉电阻的单片机IO管脚。光耦晶体管采用TLP521。单片机可通过IO管脚的状态确定是否有故障发生。

 数字量输出模块包含多个数字量输出回路，每个回路如图7所示，带上拉电阻的单片机IO管脚驱动反相器，反相器驱动光耦达林顿管，光耦达林顿管驱动中间继电器，中间继电器驱动各控制点。反相器采用SN74LVC1G04芯片，光耦达林顿管采用TLP627芯片，中间继电器线圈工作电压为DC12V。单片机可以通过不同的数字量输出回路实现对主机，主喂料机，侧喂料机，马达冷却风机，齿轮箱冷却油泵，螺筒冷却水泵，真空泵，光电报警灯启停控制。

 模拟量输入模块包含多个模拟量输入回路，每个回路如图8所示，部件模拟量输出信号为0-10V，模拟量经过LC滤波网络、运算放大器和电阻分压网络后，连接到单片机ADC管脚。运算放大器采用LM224。单片机通过ADC管脚的输入电压值，可实现对主机转速，主机电流，主喂料机转速，侧喂料机转速，熔体温度，熔体压力的测量。

 模拟量输出模块包含多个模拟量输出回路，每个回路如图9所示，单片机DAC管脚连接RC滤波网络、运算放大器及滤波电容，输出0-10V电压信号，进而驱动部件模拟量输入端子。运算放大器采用LM224。单片机通过DAC管脚输出不同的电压值，可实现对主机转速，主喂料转速，侧喂料转速的设定。

 通信模块包含多个通信端口，如图10所示，RS485串口收发器采用ISO3088DW芯片，以太网收发器采用ENC28J60-I/SO芯片，CAN通信收发器采用ISO1050芯片，单片机可通过上述端口与其它设备或管理信息系统通信交换数据。

 人机界面，如图11所示，人机界面为具有通信功能的触摸屏，本实例采用10.1" ET100触摸屏，通过RS485串口与单片机通信。

调试端口，如图12所示，JTAG端口连接单片机JTAG管脚，用于对单片机进行仿真调试。

热电阻测量模块包含多个热电阻测量回路，每个回路如图13所示，热电阻测量芯片采用MAX31865，输入端连接PT100热电阻，输出端连接单片机SPI管脚。

 SD卡模块，如图14所示，SD卡座连接单片机SDIO管脚，可实现单片机对SD卡数据的读写，将挤出机过程数据及工艺参数保存在SD卡内。

系统控制程序采用C语言编写，在运用单片机厂家提供的外设库函数基础上，采用模块化设计，便于调试和维护。

Claims (15)

1.一种挤出机单片机控制系统，包括电源模块，单片机模块，热电偶测温模块，加热控制模块，冷却控制模块，数字量输入模块，数字量输出模块，模拟量输入模块，摸拟量输出模块，通信模块，人机界面，其特征在于：还包括单片机模块与电源模块、热电偶测温模块、加热控制模块、冷却控制模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、通信模块连接；所述电源模块与热电偶测温模块、加热控制模块、冷却控制模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、通信模块连接；所述电源模块、人机界面与外部直流电源连接。

2.根据权利要求1所述的一种挤出机单片机控制系统，其特征在于：所述电源模块与外部12V直流电源连接，经过电源芯片稳压滤波后，分别输出5V、3.3V、2.5V直流电压，为其它模块提供直流电源。

3.根据权利要求1所述的一种挤出机单片机控制系统，其特征在于：所述单片机模块包括单片机、与单片机连接的晶振电路、与单片机连接的复位电路；单片机需具有Flash、RAM、定时器、看门狗、RTC、ADC、DAC、GPIO、SPI、I2C、USART、CAN、SDIO资源。

4.根据权利要求1所述的一种挤出机单片机控制系统，其特征在于：所述热电偶测温模块包括多个热电偶测量回路，每个热电偶测量回路包括与单片机SPI管脚连接的热电偶测量芯片MAX31855，与热电偶测量芯片连接的热电偶，不同的热电偶与不同热电偶测量回路连接，热电偶安装在挤出机螺筒上，从而实现单片机对挤出机不同温区温度的测量。

5.根据权利要求1所述的一种挤出机单片机控制系统，其特征在于：所述加热控制模块包括多个加热控制回路，每个加热控制回路包括与单片机IO管脚连接的上拉电阻，与上拉电阻连接的反相器，与反相器连接的光耦达林顿管，与光耦达林顿管连接固态继电器，与固态继电器连接的加热块，不同的加热块与不同回路的加热控制回路连接，加热块安装在挤出机螺筒上，从而实现单片机对挤出机不同温区加热控制。

6.根据权利要求1所述的一种挤出机单片机控制系统，其特征在于：所述冷却控制模块包括多个冷却控制回路，每个冷却控制回路包括与单片机IO管脚连接的上拉电阻，与上拉电阻连接的反相器，与反相器连接的光耦双向可控硅，与光耦双向可控硅连接的电磁阀，电磁阀安装在挤出机冷却水管道上，不同的电磁阀分别与不同的冷却控制回路连接，冷却水管与挤出机螺筒连接，从而实现单片机对挤出机不同温区的冷却控制。

7.根据权利要求1所述的一种挤出机单片机控制系统，其特征在于：所述数字量输入模块包括多个数字量输入回路，每个数字量输入回路包括一个部件故障报警触点，与故障报警触点连接的滤波电容，与滤波电容连接的限流电阻，与限流电阻连接的光耦晶体管，与光耦晶体管连接的上拉电阻，上拉电阻连接到单片机IO管脚；部件故障报警触点包括主机故障报警触点，主喂料机故障报警触点，侧喂料机故障报警触点，马达冷却风机故障报警触点，齿轮箱冷却油泵故障报警触点，螺筒冷却水泵故障报警触点，真空泵故障报警触点，分别与不同的数字量输入回路连接，用于单片机检测是否有设备出现故障。

8.根据权利要求1所述的一种挤出机单片机控制系统，其特征在于：所述数字量输出模块包括多个数字量输出回路，每个回路包括与单片机IO管脚连接的上拉电阻，与上拉电阻连接的反相器，与反相器连接的光耦达林顿管，与光耦达林顿管连接的中间继电器，与中间继电器连接的控制触点；控制触点包括主机驱动器启停触点，主喂料机变频器启停触点，侧喂料机变频器启停触点，马达冷却风机接触器线圈通断触点，齿轮箱冷却油泵接触器线圈通断触点，螺筒冷却水泵接触器线圈通断触点，真空泵接触器线圈通断触点，光电报警灯通断触点，分别与不同的数字量输出回路连接，从而实现单片机对不同部件及报警输出信号的控制。

9.根据权利要求1所述的一种挤出机单片机控制系统，其特征在于：所述模拟量输入模块包括多个模拟量输入回路，每个模拟量输入回路包括一个部件模拟量输出反馈端子，与模拟量输出反馈端子连接的LC滤波网络，与LC滤波网络连接的运算放大器，与运算放大器连接的电阻分压网络，电阻分压网络连接到单片机ADC管脚；部件模拟量输出反馈端子包括主机转速模拟量反馈，主机电流模拟量反馈，主喂料机转速反馈，侧喂料机转速反馈，熔体温度模拟量反馈，熔体压力模拟量反馈，不同的部件模拟量输出反馈端子分别与不同的模拟量输入回路连接，从而实现单片机对不同部件运行参数的测量。

10.根据权利要求1所述的一种挤出机单片机控制系统，其特征在于：所述模拟量输出模块包括多个模拟量输出回路，每个模拟量输出回路包括与单片机DAC管脚连接的RC滤波网络，与RC滤波网络连接的运算放大器，与运算放大器连接的滤波电容，与滤波电容连接的部件模拟量给定控制端子；部件模拟量给定控制端子包括主机转速模拟量给定端子，主喂料转速模拟量给定端子，侧喂料转速模拟量给定端子，不同的部件模拟量给定端子分别与不同的模拟量输出回路连接，从而实现单片机对不同部件运行参数的给定。

11.根据权利要求1所述的一种挤出机单片机控制系统，其特征在于：所述通信模块包括多个通信端口及收发器，分别为RS485串口，CAN端口，以太网端口；各通信端口分别与单片机对应管脚连接，实现单片机对各通信端口的控制。

12.根据权利要求1所述的一种挤出机单片机控制系统，其特征在于：所述人机界面为具备与单片机通信功能的触摸屏，或液晶屏与键盘结合的组件，用于人机交互。

13.根据权利要求1所述的一种挤出机单片机控制系统，其特征在于：还包括与单片机连接的JTAG端口，用于程序的调试。

14.根据权利要求1所述的一种挤出机单片机控制系统，其特征在于：还包括与单片机连接的热电阻测量模块，热电阻测量模块包括多个热电阻测量回路，每个热电阻测量回路包括与单片机SPI管脚连接的热电阻测量芯片MAX31865，与热电偶测量芯片连接的热电阻，不同的热电阻与不同的热电阻测量回路连接，热电阻可安装在主机主马达绕组上，用于单片机对主马达绕组温度的测量，也可安装在齿轮箱箱体上，用于单片机对齿轮箱油温的测量。

15.根据权利要求1所述的一种挤出机单片机控制系统，其特征在于：还包括与单片机连接的SD卡模块，SD卡模块包括与单片机SDIO管脚连接的上拉电阻，与上拉电阻连接的SD卡座；单片机可以通过SD卡模块将运行过程数据保存到SD卡中。