傳統(tǒng)擠出機(jī)的溫控壓力調(diào)速與用PLC的比較

東莞市常平鎮(zhèn)松柏塘村華立工業(yè)村 523561

摘要：介紹了sIMATlcs7—200可編程控制器在塑料擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，控制回路采用PID參數(shù)自整定和脈寬詞功法.控制系統(tǒng)把傳統(tǒng)的PID控制和PLC的邏輯判斷指令結(jié)合起來，使PID控制更為靈活.能滿足生產(chǎn)過程的要求。詳細(xì)描述了系統(tǒng)的工作原理和PLC的硬件組成、軟件編制，簡(jiǎn)單介紹了上機(jī)的組態(tài)軟件wincc。

關(guān)鍵詞：擠出機(jī)；PLC；溫控壓力調(diào)速

可編程控制器PIC（ProgranUnable Logic controller）是一種進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，是專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)控制器…。目前，國(guó)內(nèi)的塑料擠出機(jī)生產(chǎn)廠家大都是采用簡(jiǎn)單的溫控儀表和溫控電路進(jìn)行控制，這種溫度控制存在精度差、超調(diào)量大等缺點(diǎn)，很難滿足生產(chǎn)高質(zhì)量塑料制品的要求。本文介紹了PLC在塑料型材生產(chǎn)線溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。采用PJ.c作為溫度控制系統(tǒng)的接心，克服了以往儀表控制的單回路凋節(jié)器的缺點(diǎn)；同時(shí)利用PT.c邏輯控制的優(yōu)點(diǎn)，與輸人、輸出信號(hào)通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖，可以對(duì)各種情況及時(shí)做出反應(yīng)，使控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。在設(shè)計(jì)中，我們選用了sIMATlcs7—200可編程序控制器，s7—200是模塊化中小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。

1硬件構(gòu)成

中央處理單元（cPu）采用cPu一314IFM，帶有一個(gè)MPl接口，可以連接編程器、Pc機(jī)、操作面板，集成有20個(gè)數(shù)字輸入端、16個(gè)數(shù)字輸出端、4模擬輸入端、1模擬輸出端、閉環(huán)控制功能塊PID控制器。數(shù)字量輸出模塊選用sM322，DO8×230vACREL。模擬量輸入模板選用SM331，AI8×12位，參數(shù)可通過模板上的量程模塊和用STEP7設(shè)定；通道按兩路一紐劃分，每次只能給一組通道設(shè)定參數(shù)；輸A的熱電偶可以是類型N、E、J、K、L，可以通過sTEP7設(shè)定；溫度補(bǔ)償可以用內(nèi)部補(bǔ)償，也可用外部補(bǔ)償，外部補(bǔ)償比內(nèi)部補(bǔ)償更精確。

本系統(tǒng)中溫度傳感器選用K型熱電偶，其測(cè)溫范圍適中，線性度較好，相應(yīng)的模人模板量程模塊上的位置置于“A”。溫度補(bǔ)償方式采用內(nèi)部補(bǔ)償。輸出控制電路是通過固態(tài)繼電器（SSR）凋功方式完成的。只要在給定周期內(nèi)改變固態(tài)繼電器的通斷時(shí)間比，就能達(dá)到改變加熱功率的目的，從而實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。硬件配置如表I所示。

表1

硬件名稱型號(hào)硬件名稱型號(hào)

PLC西門子S7-200主電機(jī)變頻器ABB：GS510

觸摸屏西門子SM322壓力傳感器

熱電偶K型溫度模塊231-7TF

壓力模塊235-OKD電機(jī)Y180M-4.18.5KW

喂料電機(jī)變頻器東元7200MA

2工作原理

該系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，溫度傳感器（熱電偶）檢測(cè)到的料筒和機(jī)頭溫度信號(hào)，送給溫度模塊，PLC從溫度模塊中讀取溫度值PV與設(shè)定溫度SP進(jìn)行比較，得到偏差e（￡）=VP—Pv。如果存在差值，就要對(duì)此偏差e（￡）按PID算法進(jìn)行修正，求得相應(yīng)的控制量去控制固態(tài)繼態(tài)器的通斷時(shí)間，調(diào)節(jié)電加熱器的加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)料筒和機(jī)頭溫度的控制。

PID控制是過程控制中應(yīng)用最廣泛、最基本的一種控制方法；雖然控制理論和控制技術(shù)目趨完善和成熟，但目前大多數(shù)工業(yè)過程仍采用PID控制，其原因是這種控制方法并不要求精確的受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)單易行、穩(wěn)定性好、可靠性高，并能滿足大多數(shù)工業(yè)過程控制的要求。在PID控制中，控制器系數(shù)的整定和自適應(yīng)問題，是提高工業(yè)過程控制品質(zhì)的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的PID控制調(diào)節(jié)規(guī)律的算式為：

式中，e（f）=SP—PV為PID控制器的輸入信號(hào)；U（t）為控制器輸出信號(hào)，Kp為比例系數(shù)，Ti為積分系數(shù)，Td為微分系數(shù)。

比例環(huán)節(jié)是成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e（t），偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差；微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，按照偏差的變化趨勢(shì)來控制，改善控制對(duì)象的品質(zhì)，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；積分環(huán)節(jié)主要用于消除誤靜差，提高系統(tǒng)的無差度，它對(duì)誤差進(jìn)行積分，對(duì)系統(tǒng)控制有一定的滯后作用.積分作用過強(qiáng)，會(huì)造成系統(tǒng)超凋增大，甚至引起振蕩。

本系統(tǒng)中，為了防止積分飽和，將積分環(huán)節(jié)分離出來，當(dāng)偏差減少至一定范圍內(nèi)，才加入積分環(huán)節(jié)。因此.當(dāng)偏差︳e（t）︳較大時(shí)，為避免系統(tǒng)超調(diào)，不加入積分環(huán)節(jié)；當(dāng)︳e（t）︳較小時(shí)，積分環(huán)節(jié)有效，隨︳e（t）︳的減少而增大.以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。同時(shí)，為保證溫度控制能迅速達(dá)到額定值，而不出現(xiàn)大的超調(diào)量，采取的措施是：在溫度從室溫到離額定溫度還差50℃的自由升溫過程中，固態(tài)繼電器一直是導(dǎo)通的，猛加速升溫；當(dāng)溫度偏差小于50℃而太于7.5%設(shè)定溫度時(shí)，進(jìn)行PD控制；當(dāng)溫度偏差不到7.5%設(shè)定溫度時(shí)，采用PID調(diào)節(jié)，以減小超調(diào)量，提高控溫精度。

控制器參數(shù)的整定[2]采用一種對(duì)輸入輸出關(guān)系在線辨識(shí)而整定系數(shù)的調(diào)諧方法來產(chǎn)生多回路系統(tǒng)的控制系數(shù)，具體過程如下：給系統(tǒng)加入一階躍輸入（100%功率），測(cè)量料簡(jiǎn)的溫度變化情況，由于溫度階躍響應(yīng)曲線具有s型曲線特性。其傳遞函數(shù)可表示如下：

，r為系統(tǒng)時(shí)滯，K為系統(tǒng)常數(shù)，r為系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)。

根據(jù)ziegler—NIchols調(diào)諧法：

直線斜率 R=（T2-T1）/（t2-t1）

滯后時(shí)間 r=t1-（T1-T0）/R

PID參數(shù) Kp=1.2/（Rt）

Ti=2t

Td=O.5t

T0、T1、T2分別是料筒O、t1、t2時(shí)刻的溫度。根據(jù)上述算法，可得到PID控制算法的三個(gè)主要參數(shù)Kp，Ti，Td。

T1、T2、T3乃分別是料筒O、t1、t2時(shí)刻的溫度。根據(jù)上述算法，可得到PID控制算法的三個(gè)主要參數(shù)Kp、Kj、Kd。

溫度到達(dá)設(shè)定溫度后，系統(tǒng)進(jìn)入衰減振蕩期。如果PID參數(shù)選取適當(dāng)，會(huì)得到一個(gè)超調(diào)小、衰減快、靜差小的響應(yīng)；如果有較大擾動(dòng)或系統(tǒng)的滯后太大會(huì)使系統(tǒng)控制品質(zhì)變壞。本系統(tǒng)中采用了一種簡(jiǎn)單適應(yīng)的控制方法（圖2），用下式表述：

當(dāng)e（t）>e，且o，固態(tài)繼電器按比例通斷；其它情況下，進(jìn)行PlD控制。

式中，e（t）為溫度偏差，e為死區(qū)閾值（本系統(tǒng)中取2℃）。這種控制方法考慮了實(shí)際溫度的變化趨勢(shì)，達(dá)到了減少超凋和波動(dòng)的目的，有一定的自適應(yīng)效果。

3系統(tǒng)的軟件控制程序

軟件部分是整個(gè)溫控系統(tǒng)的重要組成部分，編程工具采用STEP7v5.1。STEP7為用戶實(shí)施自動(dòng)化工程提供了不同的工具，有SIMATIc管理器、符號(hào)編輯器、硬件配置、通訊、信息功能等，可提供語句表（STL）、梯形圖（LAD）、功能塊圖（FBn）三種PLc編程語言。STEP7在PC機(jī)上應(yīng)用，必須配置PC適配器，可運(yùn)行于WINDOWS95/98/NT下。PC適配器實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的串行口與PLC的MPI口連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、修改、在線編輯等，方便地方程序下載到PLC中或從PLC中讀出。

軟件的控制程序包括濱模擬輸入量程序PID參數(shù)自整定程序，PID控制程序.溫度報(bào)警程序四個(gè)功能塊。

讀模擬輸入量程序塊[1]，把模人模塊輸入量讀回，轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際溫度值并順序存人數(shù)據(jù)塊，模人模塊的起始地址、通道數(shù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)號(hào)及數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)塊中的存儲(chǔ)起始位置均是可變的。在溫度模塊中，一個(gè)數(shù)字量代表測(cè)量值0.1℃。參數(shù)自整定塊根據(jù)前面介紹的方法整定出三個(gè)參數(shù)傳遞給PⅢ控制器CONT-C（功能塊FB41），cONT—c輸出值送給PULS-CEN（功能塊FB43），PULSE—GEN輸出為控制固態(tài)繼電器的脈沖信號(hào)。PID控制程序塊運(yùn)用PLc的邏輯判斷指令進(jìn)行積分分離的PID控制或自適應(yīng)PID控制。溫度報(bào)警程序控制測(cè)量溫度大于上限值或小于下限值時(shí)，分別置位上限或下限報(bào)警標(biāo)志，進(jìn)行聲光報(bào)警；當(dāng)測(cè)量溫度小于上限值扣除死區(qū)后的數(shù)值，復(fù)位上限報(bào)警；測(cè)量溫度大于下限值加上死區(qū)后的數(shù)值，復(fù)位下限報(bào)警。

4上位機(jī)系統(tǒng)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)選用WinCC組態(tài)軟件，winCC是一個(gè)“真正開放的”HMISCADA軟件。winCC軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理起始畫面：2個(gè)基本功能。

起始畫面：

1、此畫面為首次開機(jī)后顯示的畫面，可以切換至本系統(tǒng)任何一幅畫面。

2、此畫面顯示設(shè)備廠家的名稱、地址和電話等，并可以切換至目錄、幫助、密碼、設(shè)置、溫度曲線畫面。

3、按一下計(jì)數(shù)清零可以清除當(dāng)前的切割次數(shù)計(jì)數(shù)測(cè)量值。

4、按下 F1 鍵

·進(jìn)入 PAGE-F1 畫面。

此畫面即為開機(jī)啟動(dòng)時(shí)的畫面。

·可觀察軟件的版本、機(jī)型是否正確。

·按F13鍵進(jìn)入 PAGE-F01B 畫面，此畫面為幫助信息畫面。

·按F14鍵進(jìn)入 PAGE-F11E 畫面，此畫面為幫助信息畫面。

·按F15鍵進(jìn)入 PAGE-F01C 畫面，此畫面為密碼設(shè)置畫面。

·按F16鍵進(jìn)入 PAGE-F01D 畫面，此畫面為系統(tǒng)設(shè)置畫面。

·按F17鍵進(jìn)入 PAGE-F05A 畫面，此畫面為主機(jī)、加料、牽引、機(jī)頭4小時(shí)壓力曲線畫面。

·按F18鍵進(jìn)入 PAGE-F11A 畫面，此畫面為工藝存取畫面。

·按F19鍵進(jìn)入 PAGE-F11E 畫面，此畫面為流言記錄畫面。

·按F20鍵返回

一、數(shù)據(jù)采集是指從現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)處理，數(shù)據(jù)采集主要由下位機(jī)PLC完成，

幫助畫面

屏幕兩側(cè) F1 ～ F12 鍵標(biāo)為對(duì)應(yīng)鍵的中文解釋。

·本畫面為功能鍵 F* 鍵提示畫面，從中可了解到 F* 鍵的意義。

·按 F13鍵進(jìn)入 PAGE-F01B 畫面。

·按 F14進(jìn)入 PAGE-F11E 畫面。

·按 F20 鍵進(jìn)入 PAGE-F01 畫面。

設(shè)置畫面：

在此畫面中可以設(shè)定主機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和電流，加料額定轉(zhuǎn)速，牽引額定速度，保溫時(shí)間，牽引微調(diào)單位，熔體額定壓力和各區(qū)溫度修正值，可以選擇切割方式，還可以對(duì)機(jī)筒四區(qū)、機(jī)頭七區(qū)的使用情況做出選擇。

winCC通過變量標(biāo)簽與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換：數(shù)據(jù)管理是把從現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)送到上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)以及由數(shù)據(jù)庫(kù)訪問函數(shù)讀取數(shù)據(jù)，然后再送到應(yīng)用中，比如顯示、打印、報(bào)警等。

主機(jī)畫面

按下 F02 鍵。

·進(jìn)入畫面 PAGE-F02。

。

按下 F02 鍵。

·本畫面用于設(shè)備正常運(yùn)行中操作人員監(jiān)視設(shè)備工作狀態(tài)時(shí)使用。

·本畫面還顯示擠出機(jī)主機(jī)各部位溫度棒圖。

參數(shù)監(jiān)視

按下 F03 鍵。

·進(jìn)入畫面 PAGE-F03。

1、在此畫面中可以設(shè)定主機(jī)、加料、牽引速度并顯示各自的實(shí)測(cè)速度。

2、電機(jī)的速度設(shè)定以底色為白色為標(biāo)志，顯示以底色為藍(lán)色為標(biāo)志

參數(shù)檢測(cè)

按下 F5 鍵。

·進(jìn)入畫面 PAGE-F05。

·顯示擠出機(jī)主機(jī)運(yùn)行狀態(tài)：包括雙螺桿主機(jī)的機(jī)頭壓力、轉(zhuǎn)速及電流；加料機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速及電流；牽引機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速及電流等的實(shí)測(cè)值、設(shè)定值和速比值，以及主機(jī)，加料機(jī)和牽引電流極限值，熔體 壓力極限值。

·顯示擠出系統(tǒng)溫度參數(shù)：包括主機(jī)料筒（EH）一、二、三區(qū)、四區(qū)料筒溫度，合流體溫度（EA）和機(jī)頭（ED）一、二、三、四、五、六區(qū)的溫度等。

·本畫面用于設(shè)備正常運(yùn)行中操作人員監(jiān)視設(shè)備工作狀態(tài)及修改參數(shù)時(shí)使用。

按下 F7 鍵。

·進(jìn)入畫面 PAGE-F01 報(bào)警信息畫面

·顯示報(bào)警清單，按 F13 鍵可以顯示此前500條報(bào)警歷史記錄，按ESC 鍵返回本畫面。

·發(fā)生報(bào)警時(shí)，將在本屏幕中出現(xiàn)提示對(duì)話框。

1、故障報(bào)警：

·報(bào)警燈閃亮。

·各屏幕狀態(tài)指示屏中的報(bào)警符號(hào)將被激活。

·屏幕上會(huì)自動(dòng)彈出對(duì)話框，說明警告或報(bào)警的內(nèi)容，產(chǎn)生的原因及排除方法。

2、清除報(bào)警器和清除報(bào)警：

·按下黃色 ACK 鍵，可清除報(bào)警對(duì)話框。

·按下 F10 鍵，可清除報(bào)警燈，同時(shí)調(diào)出報(bào)警畫面，報(bào)警內(nèi)容前燈會(huì)點(diǎn)亮。

·按下 F12 鍵，可清除報(bào)警燈，同時(shí)會(huì)有下列兩種可能出現(xiàn)

A：如報(bào)警故障已排除，報(bào)警提示會(huì)自動(dòng)消失。

B：如報(bào)警故障未排除，報(bào)警燈仍會(huì)顯示。

注：通常應(yīng)答報(bào)警的步驟是，先按 F10 鍵，再按黃色 ACK 鍵。

winCC提供適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)表的功能模板，可使用戶能夠設(shè)計(jì)出界面良好的、功能完善的監(jiān)控系統(tǒng)。

5結(jié)淪

本系統(tǒng)是為北京化工大學(xué)塑料機(jī)械研究所管材擠出生產(chǎn)線開發(fā)的溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)投人運(yùn)行后，各項(xiàng)性能指標(biāo)有較大提高，溫度超調(diào)不超過3℃.靜差小于±l℃，提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力；同時(shí)，良好的操作界面，使操作人員可以在較短時(shí)間內(nèi)掌握整個(gè)操作過程。

參考文獻(xiàn)：

[1] 尹新正，王偉明 PLC在塑料擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 塑料工業(yè) CHINA PLASTICS INDUSTRY 2002，30（5）北京化工大學(xué)塑料機(jī)械及塑料工程研究所，北京，100029

[2] 邢曉波，胡少平 基于PLC和變頻傳動(dòng)的自控技術(shù)橡塑 技術(shù)與裝備CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY EQUIPMENT 2010，36（12）杭州中策橡膠有限公司蕭山分廠，浙江，杭州，310052

[3]梁耀光 余文烋 主編 電工新技術(shù)教程

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（1）須首先繪制鈑金零件展開草圖，并且草圖輪廓必須是封閉的。另外，展開零件的長(zhǎng)度必須考慮折彎系數(shù)。

（2）確定好彎曲半徑，同時(shí)確定繪制折彎特征的中心線。

（3）所形成的實(shí)體，均不能出現(xiàn)自相交叉的情況。

在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)過程中，管狀零件總成上有許多快速接頭、緊固件等鈑金零件。對(duì)于例如卡箍這種類似圓形的鈑金件，利用SolidWorks中的繪制折彎特征，可以非常簡(jiǎn)便的進(jìn)行三維實(shí)體繪制。

利用繪制折彎特征的零件造型方法

以圖4（左圖為零件展開圖）所示的卡箍零件為例，介紹一下使用繪制折彎特征繪制鈑金零件，其步驟如下：

圖4 圓環(huán)狀鈑金零件三維造型

（1）首先計(jì)算卡箍的展開長(zhǎng)度，繪制卡箍的展開圖。

（2）利用折疊命令將卡箍?jī)啥说膹澖前闯叽缫笙冗M(jìn)行折彎。

（3）根據(jù)卡箍半徑在展開鈑金件外繪制一中心線。

（4）利用繪制折彎特征，以中心線作為折彎中心，輸入折彎半徑（卡箍半徑）就可繪制出卡箍的三維造型了。

4結(jié)論

通過實(shí)例，通過利用掃描特征命令、放樣特征命令和繪制折彎特征命令的功能，使得管狀零件及其鈑金附件的三維造型得以快速繪制。因這些零件在汽車實(shí)際裝配過程中經(jīng)常使用，因此該繪制方法比較具有實(shí)用價(jià)值。

管狀零件及其鈑金附件的繪制方法有很多，關(guān)鍵在于根據(jù)零件的實(shí)際形狀、結(jié)構(gòu)特征，選擇好合適的特征進(jìn)行繪制，才能達(dá)到事半工倍的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]李啟炎，李光耀。SolidWorks2003三維設(shè)計(jì)教程。北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2004。

[2] SolidWorks。SolidWorks鈑金。北京，清華大學(xué)出版社，2003。