S7-200系列PLC在挤出吹塑成型壁厚控制系统中的应用

1．引言
        挤出吹塑成型机是目前产量最大的一种生产容器和中空制品的吹塑成型设备，可生产出
从最小只有1mL到最大可达10000L的各种容器制品，如牛奶瓶、饮料瓶、洗涤剂瓶、化妆
品瓶以及化学试剂桶、饮料桶、矿泉水桶等。 
        近年来，挤出吹塑成型的主要技术趋势是朝着自动化、智能化、高精度和高速度的方向
发展。因此，如何提高传统挤出吹塑成型的整体技术含量，使之适应该行业技术发展趋势要
求是很重要的课题。
        本文描述的挤出吹塑成型机采用德国西门子有限公司开发生产的S7-200系列PLC
作为主要的电气控制系统，应用情况说明该系统完全可以符合自动化、智能化、高精度和高
速度的技术发展趋势。
第一，S7-200系列PLC高度融合了电子技术、自动化技术及网络技术，用S7-200系列PLC
作为吹塑成型机的控制系统，将使吹塑成型机具有挤出、合模、吹胀、冷却和开模等过程的
自动控制功能，同时具有挤出型坯温度、挤出压力和冷却温度的自动调节功能，向着自动化
和智能化的方向发展。
第二，S7-200 系列 PLC 中的具备高精度的热电偶模块和模拟量输入输出扩展模块，可以
满足型坯温度、挤出压力、型坯壁厚的高精度控制要求，达到制品成型所要求的质量要求，
而且精度重复性好；采用高速硬件解析技术的CPU模块和本身带有CPU芯片和专用共享数
据区的模拟量扩展模块，可极大地提高熔料塑化速度，挤出速度以及开合模速度，缩短了成
型周期，并保证了制品的成型质量。

2．设备工艺过程 
 

 
挤出吹塑是制造空心塑料制品的成型方法，是借助气体气体压力使模具内的热型坯吹胀
成容器的。挤出吹塑设备由挤出机、机头、模具、吹气系统和锁模装置构成，如图1所示，
其工艺过程：
（1） 将热塑性塑料从进料口进入机筒内，由挤出机将塑料熔化成熔料流体，经过挤
压系统塑炼和混合均匀的熔料以一定的容量和压力由机头口模挤出形成型坯；
（2） 将达到规定长度的型坯置于吹塑模具内合模，并由模具上的刃口将型坯切断；
（3） 由模具上的进气口通过压缩空气以一定的压力吹胀型坯；
（4） 保持模具型腔内压力，使制品和模具内表面紧密接触，然后冷却定型，开模取
出制品。
在吹塑过程中，型坯的形成和吹胀是吹塑过程的核心，型坯形成和吹胀质量的高低直接
影响着容器制品的质量好坏，而熔料的受热温度、挤出压力和和冷却时间将直接影响型坯的
成型和吹胀质量。型坯壁厚在吹气成型过程中若没有得到有效控制，冷却后会出现厚薄不均的
状况，胚壁产生的应力也不同，薄的位置容易出现破裂。因此，控制型胚壁厚对于提高产品质量
和降低成本也同样重要。
综上所述，如何控制挤出机的受热温度、挤出压力、制品的冷却时间以及型胚壁厚成为
影响容器制品质量的几个关键因素。
 
3．控制系统设计
3.1 系统原理及配置
粒状或粉状的塑料经挤出机塑化达熔融状态，通过采集电子尺数据，反馈控制挤出熔料
量，使熔料通过预定流速进入机头。当储料量达预定值时，由 PLC 控制机头口模打开。根
据设定的型坯壁厚曲线，由 PLC 完成进行型坯壁厚控制。同时，将熔融物料压出形成制品
型坯，模具成型机合模机构采用四拉杆三板联动系统，合模机的运动速度按设定值实现自控，
运动平稳。合模后吹气，型坯在模具内成型为中空制品，冷却定型后开模，由 PLC 控制机
械手取出制品。
系统电气控制部分的基本配置如下：
（1）控制器采用德国西门子有限公司生产的S7-200系列 PLC 进行动作控制和150点型坯壁厚控制。
（2）温度的测量采用工业铠装热电偶，温度控控制由 S7-200系列的热电偶模块 EM231完成，该模块本身内置CPU芯片， 可执行PID算法，在上电设置好参数后，EM231热电偶模块
就可以自行控制固态继电器的通断，从而控制温度的稳定，波动范围小。  
（3）壁厚控制由机筒电子尺反馈型坯长度给PLC，然后通过S7-200系列的4通道模拟量
输出模块EM232控制执行机构驱动伺服阀完成。
（4）操作面板采用台湾威伦触摸屏完成整机的型坯温度、挤出压力、型坯壁厚以及冷却时间等
各种工艺参数的设定、修改、画面显示等，采用菜单式程序控制，操作简便可靠，能使设备
经常处于良好运行状态，并保证人机安全生产。

3.2 温度控制系统
在挤出吹塑的过程中，需要加热和散热工作在平衡状态，以使挤出熔料温度达到某一动
态平衡。因此，挤出过程的温度需要实时测量和控制。
挤出机的温度经热电偶采集到热电偶模块EM231中，模块内本身内置CPU芯片，具
有8路热电偶输入，可以在模块内完成PID控制算法，控制精度为
±1℃。E5THM 采集到的温度信号与设定温度比较得到偏差信号，如果测量温度大于设定
值，则模块按时间周期占空比的 PID算法，通过PWM脉冲调宽技术控制固态继电器动作，
使挤出机加热装置停止加热，反之亦然, 进行冷却控制操作。机筒温度设定和实时温度显示
可以通过触摸屏完成。
3.3 型坯壁厚控制
熔料从口模挤出处于黏流态流动一段时间，由于原材料特性、挤出温度和挤出流量随时
间变化呈非线性变化，所以型坯在挤出过程中，型坯壁厚发生变化。为使挤出吹塑制品满足
壁厚要求，必须采取有效措施控制型坯壁的厚度。 
 
壁厚控制系统是对模芯缝隙的开合度进行控制的系统，也即位置伺服系统，它由控制器、
电液伺服阀、动作执行机构和作为位置反馈的电子尺构成。当机头口模打开时，PLC读取机
筒电子尺反馈的型坯长度，然后根据型坯壁厚曲线，通过高精度模拟量输出模块 EM232 输出
±10V 的电压信号给电液伺服阀，伺服阀直接驱动执行机构控制模芯上下移动，调整口模与
芯模的间隙大小来完成口模开度的控制，进而完成型坯壁厚的闭环控制，如图2所示。此时，
壁厚型坯设定采用数字化方式，通过触摸屏完成150点型坯壁厚控制的设定，型坯壁