一、前言
性能優(yōu)良的塑料制品生產(chǎn),不但要正確使用原料,加工設(shè)備及工藝參數(shù)的選用也非常關(guān)鍵。擠出機(jī)料筒及機(jī)頭各段溫度的精確控制對提高擠出機(jī)產(chǎn)量的穩(wěn)定性及保證性能有積極的意義。目前,國內(nèi)大多數(shù)經(jīng)濟(jì)型塑料擠出機(jī)的溫度控制系統(tǒng)普遍采用分離儀表控制方案和PLC集中控制方案兩種。對于分離儀表控制方案，雖然具有價格低的優(yōu)勢，但在控制功能上受到很多限制,主要體現(xiàn)在對各分離單元單獨(dú)進(jìn)行控制,整個系統(tǒng)無法實施綜合控制，多只溫控表的使用,一方面使溫控電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,故障率增加,另一方面由于溫控表多為斷續(xù)控溫方式，因此造成各加熱區(qū)溫度波動較大,影響了塑料制品的加工質(zhì)量。對于PLC集中控制方案，雖然能對整個系統(tǒng)實施綜合控制，但是要編寫多回路的PID控溫算法實現(xiàn)難度大，占用CPU的資源多，一旦溫區(qū)超過8個則難以實現(xiàn)高精度的溫度控制。如果采用高級別的CPU構(gòu)建系統(tǒng)，則價格昂貴，性價比低。針對以上情況,我們采用了一種多回路PID溫度控制智能模塊為控制核心構(gòu)建擠出機(jī)的溫度控制系統(tǒng)。該溫控系統(tǒng)硬件簡單、控溫精度高、性能穩(wěn)定，具有較高的實用價值。該系統(tǒng)可以匹配多類型低級別的PLC，具有控溫精度高、硬件簡單、價格低、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。
二、系統(tǒng)配置及功能介紹
由上所述，傳統(tǒng)的控制方式有分離儀表控制和PLC集中控制兩種，第一種方式不具備集中控制的意義，故不作分析。以西門子S7-300的PLC構(gòu)成16個溫區(qū)的集中控制系統(tǒng)硬件配置如圖1所示：
圖1. PLC集中控制溫控系統(tǒng)硬件配置
圖中SM331是八路熱電偶輸入模塊，SM322是16路開關(guān)量的輸出模塊，CPU314是西門子的中檔CPU，它作為多回路PID的控制核心。由于考慮到每個溫區(qū)有可能存在加熱和冷卻的需要，所以系統(tǒng)配置兩個SM331，兩個SM322，構(gòu)成16路溫度輸入、32路開關(guān)量輸出的控制系統(tǒng)（其他的開關(guān)量輸入輸出忽略）。該系統(tǒng)的控制精度取決于CPU314的運(yùn)算速度和PID算法，如果采用STEP7的PID標(biāo)準(zhǔn)功能塊，則對于純滯后大慣性的控制對象，難以達(dá)到理想的效果;如果自己編寫專用的PID控制算法則難度較大。該系統(tǒng)還存在隨著溫區(qū)數(shù)量的增多（較多機(jī)型的溫區(qū)在30個左右）存在價格升高、控制精度下降的缺點(diǎn)。
以多回路PID溫度控制智能模塊為核心，匹配低級別PLC構(gòu)建塑料擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)是一個多溫區(qū)控制的理想方案。系統(tǒng)硬件配置圖如圖2所示：
圖2. 多回路PID溫控模塊的溫控系統(tǒng)硬件配置
圖中M_PID4R_K是佛山市皓科控制技術(shù)有限公司研發(fā)生產(chǎn)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的四回路PID溫度控制智能模塊，由于模塊每回路均帶有獨(dú)立的加熱、冷卻開關(guān)量輸出，因此只需要配置4個模塊。各模塊可獨(dú)立的控制對應(yīng)回路的溫度值，CPU只需通過現(xiàn)場總線就可以輕松的控制各回路的啟閉及獲取各回路的當(dāng)前溫度、設(shè)定溫度值。因此CPU可采用西門子的低檔系列S7-200的CPU-226，系統(tǒng)硬件和軟件大大簡化，系統(tǒng)的價格大幅下降（僅為原系統(tǒng)價格的三分之一），系統(tǒng)的控制精度、可靠性、穩(wěn)定性大幅提高。
四回路PID溫度控制智能模塊具有1500V電氣隔離的24VDC輸入接口、四路獨(dú)立隔離的熱電偶輸入、四組獨(dú)立隔離的晶體管或繼電器開關(guān)量輸出、支持MODBUS/RTU協(xié)議的RS485隔離通訊口等優(yōu)秀的電氣性能。通過與支持MODBUS現(xiàn)場總線協(xié)議的上位機(jī)連接最大可擴(kuò)展從機(jī)128個，即實現(xiàn) 512個溫區(qū)的控制。值得一提的是該控制模塊的PID算法是針對純滯后、大慣性對象而開發(fā)的模糊自適應(yīng)PID控制算法，非常適合塑料螺桿擠出機(jī)、吸塑機(jī)、注塑機(jī)等機(jī)械的多溫區(qū)精確控制。
三、四回路PID溫度控制智能模塊的工作原理
四回路的PID溫度控制智能模塊可以看做是四個獨(dú)立的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，在一個采樣周期內(nèi), 溫度傳感器（熱電偶）將檢測到的料筒與機(jī)頭溫度信號 PV，與設(shè)定值SV 進(jìn)行比較，得到偏差e = SV—PV。結(jié)合所給的P、I、D 參數(shù)和溫度控制策略進(jìn)行PID運(yùn)算得出控制輸出值，經(jīng)過脈寬調(diào)制，最后得到繼電器在一個采樣周期中的導(dǎo)通時間。通過控制繼電器在一個采樣周期中的導(dǎo)通時間即可控制加熱器的加熱時間，或者冷卻風(fēng)機(jī)的工作時間，從而達(dá)到精確控制溫度的目的。四個回路獨(dú)立工作，互不干擾，具有極高的穩(wěn)定性和可靠性。
四、溫度控制策略
在進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)時,比例調(diào)節(jié)反映系統(tǒng)偏差的大小,只要有偏差存在,比例調(diào)節(jié)就會產(chǎn)生控制作用,以減少偏差。微分調(diào)節(jié)根據(jù)偏差的變化趨勢來產(chǎn)生控制作用,它可以改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。積分調(diào)節(jié)根據(jù)偏差積分的變化來產(chǎn)生控制作用,對系統(tǒng)的控制有滯后的作用,可以消除靜態(tài)誤差。增大積分時間常數(shù)可提高靜態(tài)精度,但積分作用太強(qiáng),特別是在系統(tǒng)偏差較大時會產(chǎn)生積分飽和使系統(tǒng)超調(diào)量較大,甚至引起振蕩。四回路的PID溫度控制智能模塊的溫度控制策略如圖3 所示：
圖3 溫度偏差采用不同的溫控策略
1） 實際溫度低于T1 時,為加快響應(yīng)速度,全功率加熱。
2） 實際溫度位于[ T1～T2 ]范圍內(nèi)時,為避免積分飽和,分離積分項,采用PD 控制。
3） 實際溫度位于[ T2～T3 ]范圍內(nèi)時,采用PID 控制。
4） 實際溫度位于[ T3～ T4 ]范圍內(nèi)時,采用模糊自適應(yīng)PID 控制。
5） 實測溫度大于T4 時,接通風(fēng)扇電源,強(qiáng)制制冷。
其中T1、T2、T3、T4可以通過組合參數(shù)的設(shè)定配置給模塊，也可以由模塊來自動的整定，這種控制策略不僅考慮了實測溫度和設(shè)定溫度的偏差,而且考慮了實測溫度的變化趨勢,可減少超調(diào)和波動,具有很靈活的自適應(yīng)效果。實際的溫度曲線如圖4示。
圖4.實測的控溫曲線
五、結(jié)束語
本文提出了一種性價比很高的塑料擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)的解決方案，該方案不僅降低系統(tǒng)的配置成本，而且大大提高了系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性。非常適合各種多溫區(qū)控制的設(shè)備使用。由所配套的多間公司的塑料擠出機(jī)的使用效果看出，在新的溫控系統(tǒng)控
制下，擠出機(jī)工作平穩(wěn)，取得良好的控制效果，控溫速度快，溫度超調(diào)量小于3℃，靜態(tài)誤差小于±1℃。該控制器不僅應(yīng)用與塑料擠出機(jī)，還可以應(yīng)用于注塑機(jī)、吸塑機(jī)、吹瓶機(jī)等機(jī)械的溫度控制，具有廣闊的應(yīng)用前景。