基于PLC的注塑機(jī)多段溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 芳，劉 佳，傲 起，曲冰潔，李研博

（鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市 017000）

塑料制品因具有成本低、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在航空航天、醫(yī)療、藥品包裝、3D打印等高精端科技領(lǐng)域［1-4］，在國民經(jīng)濟(jì)中占有極其重要的地位。注塑機(jī)是將塑料顆粒加熱成熔融狀態(tài)，并注射到模具內(nèi)腔中加工成形狀不同的塑料制品，因此，注塑機(jī)又被稱為注射成型機(jī)。目前，大部分塑料制品均由注塑機(jī)加工生產(chǎn)，與吹塑成型機(jī)、塑料擠出機(jī)相比，注塑機(jī)的生產(chǎn)效率更高、生產(chǎn)周期更短?？删幊炭刂破鳎≒LC）是一種進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，主要應(yīng)用于環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)領(lǐng)域，如PLC被應(yīng)用于各種生產(chǎn)機(jī)械以及自動控制領(lǐng)域［5-6］?；赑LC的注塑機(jī)控制系統(tǒng)采用多通道總線控制，該控制方式穩(wěn)定性高、可編程性強(qiáng)，且機(jī)器發(fā)生故障的概率極大降低，容錯性能也比較強(qiáng)。

本工作采用PLC完成注塑機(jī)復(fù)雜工藝的自動控制，通過PLC完成注塑機(jī)邏輯控制，并通過模擬量輸入模塊采集注塑機(jī)溫度傳送到PLC的中央處理器中，由中央處理器中的比例積分微分（PID）程序完成溫度的閉環(huán)自動控制。

1 注塑機(jī)結(jié)構(gòu)與工藝流程

1.1 注塑機(jī)結(jié)構(gòu)

注塑機(jī)主要由鎖模系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、注射系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成。加熱系統(tǒng)的主要功能是通過加熱電阻絲來升高注塑機(jī)料筒溫度，使塑料顆粒成為熔融狀態(tài)；注射系統(tǒng)以一定壓力和注射速度，將熔融狀態(tài)的塑料注射到模具內(nèi)腔中；鎖模系統(tǒng)主要作用是以一定壓力將模具鎖緊，以保證模具加工精度，經(jīng)過冷卻系統(tǒng)降溫處理后，將塑料從模具內(nèi)腔中頂出；液壓系統(tǒng)主要為注塑機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動力以及緩沖保護(hù)，液壓系統(tǒng)主要包括油箱、液壓電機(jī)、比例閥等；控制系統(tǒng)主要包括下位機(jī)PLC和上位機(jī)觸摸屏，控制系統(tǒng)作為注塑機(jī)的大腦，通過觸摸屏人機(jī)畫面完成注塑機(jī)各種參數(shù)的設(shè)置，PLC負(fù)責(zé)注塑機(jī)各機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)運(yùn)動，進(jìn)行溫度、壓力等數(shù)據(jù)采集，并完成閉環(huán)控制。

1.2 注塑工藝流程

塑料顆粒從下料口進(jìn)入到料筒中，由螺桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動帶動塑料顆粒不斷向前運(yùn)動，料筒外部加熱電阻絲溫度不斷升高，熔融狀態(tài)的塑料在料筒前部不斷積累并將螺桿向后推送，經(jīng)過測量系統(tǒng)可以計(jì)算出螺桿向后推送的距離，并由此距離推算出料筒前段累積的熔融塑料體積是否達(dá)到設(shè)定值，達(dá)到目標(biāo)值后，螺桿停止運(yùn)動。液壓系統(tǒng)接收到信號后將熔融塑料以一定速度和壓力注射到模具內(nèi)腔中，模具合模后將熔融塑料注塑成所需形狀，冷卻系統(tǒng)將塑料制品冷卻后，模具打開，頂出機(jī)構(gòu)將制品從模具內(nèi)腔中頂出。注塑工藝流程見圖1。

圖1 注塑工藝流程Fig.1 Injection molding process

2 基于PLC的注塑機(jī)溫度的PID控制

2.1 PLC控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

注塑機(jī)溫度控制系統(tǒng)主要是對塑化部件的前段、中段以及后段溫度進(jìn)行精確控制，通過熱電偶傳感器對熔融后的塑料溫度進(jìn)行采集，并將采集到的溫度傳送到溫度變送器，由溫度變送器將4～20 mA模擬量信號傳送到PLC模擬量采集模塊中，PLC控制器根據(jù)PID計(jì)算結(jié)果，通過模擬量輸出模塊控制固態(tài)繼電器，從而使加熱器溫度達(dá)到設(shè)定溫度，注塑機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖2。其中，F(xiàn)X-3U 64MT為PLC的中央處理器模塊，F(xiàn)X2N-4AD為模擬量采集模塊，F(xiàn)X2N-4DA為模擬量輸出模塊，F(xiàn)X2N-4AD-TC為熱電偶模擬量采集模塊。

圖2 注塑機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Hardware structure of control system in injection molding machine

2.2 注塑機(jī)溫度的PID控制

PID控制算法在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用，PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、算法易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。PID控制算法主要是采集系統(tǒng)實(shí)際量，計(jì)算實(shí)際量與系統(tǒng)所設(shè)定的目標(biāo)值之差，通過PID控制算法中的比例、積分、微分三個參數(shù)，對系統(tǒng)輸出的數(shù)字量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，進(jìn)而使系統(tǒng)實(shí)際值穩(wěn)定在目標(biāo)值附近?？刂扑惴ńY(jié)構(gòu)原理見圖3。

圖3 控制算法結(jié)構(gòu)原理Fig.3 Structural principle of control algorithm

PID控制器輸出的數(shù)學(xué)模型見式（1）。

式中：kp為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。

PID控制算法中通常需要將式（1）進(jìn)行離散，PID離散數(shù)學(xué)模型［7-9］見式（2）。

式中：ki= kp/TI，kd= kpTD；T為采樣周期；t為采樣序號。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證基于PLC的注塑機(jī)多段溫度PID控制系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。選擇某型號注塑機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺，采用熱電偶傳感器采集溫度。實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)定溫度為200.0 ℃，實(shí)時采集熱電偶傳感器傳送回來的溫度并記錄。從表1可以看出：溫度偏差可控制在±0.3 ℃以內(nèi)。這說明所述方法溫度控制效果比較理想，能夠明顯提高溫度控制精度，對于提升注塑機(jī)注塑工藝質(zhì)量具有重要作用。

4 結(jié)論

a）為了提高注塑機(jī)的自動化程度、注塑機(jī)料筒溫度控制精度，以及注塑制品質(zhì)量，設(shè)計(jì)了基于PLC和觸摸屏為控制器核心的注塑機(jī)PID溫度控制系統(tǒng)。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 Tab.1 Experimental results ℃

b）基于PLC的注塑機(jī)溫度PID控制系統(tǒng)能夠控制料筒溫度偏差在±0.3 ℃以內(nèi)，該控制系統(tǒng)完全能夠滿足注塑工藝要求。