塑料擠出機(jī)的多路溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張臨松，王士軍，陳 偉，孫增光，周永鑫

（山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，淄博 255000）

塑料制品在人們的生活中占有較大的比重，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，而塑料擠出機(jī)是塑料生產(chǎn)加工的主要設(shè)備，在擠出過程中對溫度的控制好壞決定了產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，在塑料擠出生產(chǎn)線中，主機(jī)是塑料擠出機(jī)，輔機(jī)是與主機(jī)配套的后續(xù)塑料擠出成型設(shè)備，塑料擠出機(jī)不管是在現(xiàn)在還是未來的幾十年內(nèi)，都將會是塑料加工行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的一種機(jī)械。那么設(shè)計(jì)多路溫度控制可以提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量在經(jīng)濟(jì)上是有意義的。

1 塑料擠出機(jī)硬件及軟件設(shè)計(jì)

擠塑機(jī)作為塑料擠出機(jī)的主體，主要由3個(gè)系統(tǒng)部分構(gòu)成，包括傳動、擠壓和加熱冷卻系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。擠壓系統(tǒng)包含機(jī)頭、料斗、螺桿、模具、機(jī)筒，為了得到均勻的熔體，在擠壓系統(tǒng)中，需要把塑質(zhì)材料進(jìn)行塑化，而在整個(gè)塑化過程中，需要在特定的壓力下，螺桿把塑料連續(xù)的擠出機(jī)頭。在擠出過程中螺桿的好壞直接影響到塑料擠出機(jī)的工作效率和工作質(zhì)量。由于螺桿的特殊功能，所以螺桿主要由耐磨性、耐蝕性、耐低溫、高磁性合金鋼制做而成。

圖1 塑料擠出機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Plastic molding machine concrete direction

機(jī)筒是塑料擠出機(jī)另一個(gè)重要組成部分，它良好的耐熱、耐腐蝕性對于提高生產(chǎn)效率十分關(guān)鍵，塑質(zhì)材料的軟化，粉碎，壓實(shí)等過程是需要機(jī)筒和螺桿相互配合下完成的，在一般情況下，機(jī)筒的長度是直徑的15倍以上。這樣可以使塑料充分加熱和充分融化。為了可以精確地調(diào)整和截?cái)嗨芰狭黧w，在料斗底部和側(cè)面，分別安裝了截?cái)嘌b置，標(biāo)定計(jì)量裝置。選用韌性很高的導(dǎo)熱性好的合金鋼為機(jī)頭，在機(jī)頭內(nèi)部安裝有成型的磨具，機(jī)頭的作用是將正在旋轉(zhuǎn)的塑料熔材轉(zhuǎn)換為平行直線運(yùn)動的塑料熔材。通過此過程可以把熔化的塑料注入模套中，給予所需的成型壓力。然后塑料再經(jīng)過在機(jī)筒內(nèi)的塑化壓實(shí)，以及經(jīng)過多孔濾板，熔化的塑料通過機(jī)頭按照設(shè)置的流道流入成型模具，通過模型和模套配合操作，從而形成環(huán)形空隙，熔化的塑料形成管狀包覆層包裹在芯線的周圍。

根據(jù)機(jī)頭的螺桿和塑料流動方向所成的角度，塑料擠出機(jī)的機(jī)頭分成2種，一種是斜角機(jī)頭，另一種是直角機(jī)頭。而在機(jī)床的床體上需要把機(jī)頭的外殼固定住，模芯座存在于機(jī)頭的模具上，在機(jī)頭的端口處需要用螺帽固定，而模芯需要安裝在模芯座的前面，芯線需要通過模芯和模芯座中心存在的孔將均壓環(huán)安裝在機(jī)器前頭的位置，用于平衡機(jī)器所帶來的壓力。模套和模套座構(gòu)成了成型部分，支撐座在模套處來調(diào)節(jié)螺栓，用來改變模套和模芯之間的空間位置。同時(shí)在機(jī)頭的外部安裝了加熱器以及測溫裝置。為了提供塑料擠出機(jī)螺桿所需要的轉(zhuǎn)速，力矩，塑料擠出機(jī)安裝了驅(qū)動螺桿裝置。減速機(jī)以及電動機(jī)是螺桿的重要組成部分。當(dāng)減速機(jī)的結(jié)構(gòu)形狀大體一致時(shí)，減速機(jī)的體積越大生產(chǎn)價(jià)格也就越高，而對于螺桿半徑相同的擠出機(jī)，速度和效率高的擠出機(jī)與普通的擠出機(jī)相比較來說，普通的擠出機(jī)損耗的能源損耗要多，此裝置的電動機(jī)功率是普通電動機(jī)的2倍，因此減速機(jī)的機(jī)座號也是比普通的大。不過具有較高的螺桿速度會降低減速比。當(dāng)減速機(jī)大小相同時(shí)，齒輪模數(shù)的大小與減速比大小有關(guān)，減速比大齒輪模數(shù)的大，當(dāng)齒輪的模數(shù)小時(shí)承受負(fù)荷的能力就會比較弱。通過上述分析減速機(jī)的外形尺寸的大小不跟電機(jī)功率的大小成線性關(guān)系。塑料擠出機(jī)工作過程中的必要條件是加熱與冷卻。

塑料擠出機(jī)一般應(yīng)用最多的加熱方式是電加熱，具體分為感應(yīng)加熱方式和電阻加熱方式，在塑料擠出機(jī)的機(jī)身、機(jī)脖、機(jī)頭各個(gè)部分安裝加熱片。加熱裝置對機(jī)筒內(nèi)的塑料進(jìn)行加熱，使得溫度升高，使得溫度升高到工藝要求所需標(biāo)準(zhǔn)，為下一道工序做好準(zhǔn)備。

由于螺桿旋轉(zhuǎn)摩擦?xí)a(chǎn)生部分熱量，使用冷卻裝置可以適當(dāng)?shù)慕档蜏囟葟亩_(dá)到塑料加工工藝要求，這樣可以解決溫度太高而使塑料分解的技術(shù)問題。機(jī)筒冷卻一般為水冷或者風(fēng)冷。風(fēng)冷一般應(yīng)用在小型設(shè)備，而對于大型設(shè)備中，首選水冷，水冷一般用于螺桿的冷卻，是為了提高塑材的固體輸送率[1]。

1.1 塑料擠出機(jī)的工作原理

塑料擠出機(jī)的工作過程就是把塑質(zhì)材料放在200°左右的溫度下，使塑質(zhì)材料融化，然后通過螺桿把融化好的塑材擠出成型，通過各個(gè)工序在加工出符合標(biāo)準(zhǔn)的塑材。加壓加熱的方式使得塑材流動，再通過口模成型，這種成本低廉、生產(chǎn)高效的方法被人們叫做“擠塑”。一般熱塑性塑料和某些熱固性塑料的成型方式都利用擠塑的方法。利用此方法生產(chǎn)出來的成品全是連續(xù)的型材，其中有棒、板、管、薄膜等。當(dāng)然還可以用在塑料混合、著色、摻合等。

1.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

塑料擠出機(jī)的溫度控制的關(guān)鍵是控制塑化部件的前部，中部以及后部溫度，塑化部件的溫度采集的方式是溫度經(jīng)熱電耦的采集，把采集到的溫度信號傳送給溫度變送器，然后在經(jīng)過溫度變速器的信號處理后，將溫度信號轉(zhuǎn)化成電壓信號（0～5 V），在經(jīng)過S7-200PLC及其擴(kuò)展模塊的A/D轉(zhuǎn)換用輸出的數(shù)字量信號（0～32000）再通過D/A裝換成設(shè)備需要的電壓信號（0～5 V）來控制固態(tài)繼電器[2]，從而使得部件的加熱器的工作來調(diào)節(jié)塑化部件的溫度的變化與給定的溫度值一致。

1.3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

為了完成擠出過程中的自動化控制，塑料擠出機(jī)在PLC的控制下能夠?qū)崿F(xiàn)了其設(shè)計(jì)任務(wù)，PLC輸入輸出分配如表1、表2所示。

表1 輸入變量地址分配表Tab.1 Import destination site distribution

表2 輸出變量地址分配表Tab.2 Exported destruction site distribution

在進(jìn)行PLC程序編程之前，首先需要繪制編程的順序流程圖，根據(jù)控制要求得到主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程Fig.2 Main course flow chart

2 PID控制原理和特點(diǎn)

PID是閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例-積分-微分控制算法，通過給定值與實(shí)際值的差值按照PID算法計(jì)算出輸出控制量，S7-200有3種方式實(shí)現(xiàn)PID的控制，分別是PID向?qū)?、PID指令、自己編程實(shí)現(xiàn)，這3種方式只有PID向?qū)Ь哂熊浖С止δ埽诓荒芫珳?zhǔn)掌握被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)和不能獲得準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型的情況下，控制理論的另外的技術(shù)是難以利用的，控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)只能依賴經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，在這種特殊的情況下PID控制技術(shù)反而是最便利的。當(dāng)不能明確一個(gè)系統(tǒng)和被控對象，或是系統(tǒng)參數(shù)無法利用有效的測量手段來得到時(shí)，選擇PID控制技術(shù)是最好的，在工程中還存在著PD和PI控制[3-4]。

2.1 加熱器數(shù)學(xué)模型

加熱器選擇鑄鋁加熱器，通過理論分析和參考文獻(xiàn)都證明了鑄鋁電阻加熱器相當(dāng)于一個(gè)電阻爐，可以用一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)外加一個(gè)延遲環(huán)節(jié)來近似。參考借鑒機(jī)電一體化系統(tǒng)使用設(shè)計(jì)案例精選加熱器的數(shù)學(xué)模型為

通過查閱標(biāo)準(zhǔn)和借鑒前人的勞動成果，可以取加熱器的時(shí)間常數(shù)Tp=630 s，純滯后時(shí)間τ＝30 s，加熱器的放大倍數(shù)K可以取值為4.3℃/V。將K，Tp，τ值代入式（1）可以得出加熱器的數(shù)學(xué)模型為

2.2 調(diào)節(jié)器的選擇與參數(shù)計(jì)算

由于鑄鋁加熱器的加熱過程可以分為3個(gè)階段：自由升溫階段、恒溫階段和自然降溫階段。其中自然降溫階段不需要控制和檢測溫度，自由升溫階段也只需要監(jiān)視溫度是否達(dá)到預(yù)設(shè)值。只有恒溫階段需要控制和檢測溫度?？梢杂糜诤銣乜刂频恼{(diào)節(jié)器是有多種形式的，比如開關(guān)調(diào)節(jié)、大林算法、PD調(diào)節(jié)、PID調(diào)節(jié)等，本次設(shè)計(jì)選用現(xiàn)實(shí)中準(zhǔn)確可行的PID調(diào)節(jié)，它可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差[5-6]。通過查閱資料可以得知PID調(diào)節(jié)的控制方程式為

式中：T、TD、TI、KP分別是采樣周期、 微分時(shí)間常數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和比例系數(shù)；X（K）是本次采樣時(shí)恒定溫度與實(shí)際溫度之差。

令

則有

式中：KP、KI、KD分別是調(diào)節(jié)器的比例、積分、微分系數(shù)。

KP、TI、KD以及T的初值通過查閱資料可以取為

最終得 uct（K）的值，uct（K）的所得的方程為本系統(tǒng)的數(shù)字PID調(diào)節(jié)器控制方程。輸出限幅處理保證uct（K）的輸出值在0～215的范圍內(nèi)。當(dāng)輸出控制量為215時(shí)全速加熱即接通一個(gè)周期；當(dāng)控制量為0時(shí)，就一直關(guān)；當(dāng)輸出控制量在0～215之間導(dǎo)通時(shí)間為uct（K）/215 T。PID算法流程如3所示。

3 結(jié)語

塑料擠出機(jī)的多路溫度控制系統(tǒng)，隨著塑料制品在人們生活中的廣泛應(yīng)用，提高塑料產(chǎn)品質(zhì)量是有意義的。然而對溫度控制的好壞決定了產(chǎn)品的質(zhì)量，因此設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)是具有經(jīng)濟(jì)意義的。提出一個(gè)總體設(shè)計(jì)方案。然后進(jìn)行了硬件選型，主要硬件有熱電偶傳感器、溫度變送器、PLC、固態(tài)繼電器、加熱器等。通過設(shè)計(jì)PID算法進(jìn)行PLC程序編從而達(dá)到控制溫度的目的，在此設(shè)計(jì)中PID算法是編程控制核心。經(jīng)設(shè)計(jì)結(jié)果表明可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 算法流程圖3 Algorithm flow chart