許志勝
( 大連三壘科技有限公司， 遼寧 大連 116024 )
摘要：本文主要針對(duì)擠出機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，通過可配置多路溫度控制器，詳細(xì)說明了多路溫控器在擠出機(jī)溫控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。并通過在 SJ-120×33/90×33 單螺桿共擠機(jī)組的應(yīng)用，完整闡述了其溫控的工藝原理，系統(tǒng)構(gòu)成和控制要點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：溫度控制器；擠出機(jī)；PID
0 引言
溫控器的發(fā)展經(jīng)歷了自動(dòng)化、信息化的歷程，目前已經(jīng)快速進(jìn)入智能化的前進(jìn)方向，產(chǎn)品形態(tài)也從采用單表控制、通用PLC編程實(shí)現(xiàn)溫度控制、PLC+模塊溫控器到最新的可配置多回路溫度控制器。擠出機(jī)的核心是溫度控制，在擠出塑料的過程中，螺桿和塑料物料之間的相互摩擦?xí)a(chǎn)生較大的熱量（摩擦熱），同時(shí)相鄰加熱區(qū)互相影響等因素，給溫度恒定和精度帶來了困難?？膳渲枚嗷芈窚囟瓤刂破髂軌蚯袑?shí)滿足復(fù)雜溫度控制系統(tǒng)的需求，在擠出機(jī)上的應(yīng)用，具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。我們通過其在SJ-120×33/90×33單螺桿共擠機(jī)組的應(yīng)用，完整闡述其溫控的工藝原理，系統(tǒng)構(gòu)成和控制要點(diǎn)。
1 SJ-120×33/90×33 單螺桿共擠機(jī)組溫控特點(diǎn)和方案比較
1.1 擠出機(jī)的溫控特點(diǎn)
SJ-120×33/90×33單螺桿共擠機(jī)組是最新的高速PP/PE/PVC雙壁波紋管生產(chǎn)線的擠出設(shè)備，如圖1所示，整套生產(chǎn)線包括擠出機(jī)、成型機(jī)、冷卻水箱，切割機(jī)等。
圖 1 高速 PP/PE/PVC 雙壁波紋管生產(chǎn)線
（1）溫度控制回路較多，擠出機(jī)SJ-120×33有18路溫度控制回路，SJ-90×33有14路溫度控制回路。正常工作時(shí)擠出機(jī)的溫度很高，一般都在180℃以上，預(yù)熱時(shí)間一般都在4h左右。當(dāng)溫度穩(wěn)定后，擠出機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)時(shí)要求的溫度精度通常為±1℃。
（2）加熱回路分機(jī)筒和模具兩個(gè)部分，機(jī)筒冷卻方式是風(fēng)機(jī)冷卻，模具是自然冷卻；同時(shí)加熱過程中， 中間回路溫度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)影響相鄰?fù)ǖ赖臏囟?，回造成?shí)際溫度的波動(dòng)，因此溫控器PID算法一定要精準(zhǔn)，同時(shí)要有雙 PID加熱冷卻控制和單PID加熱控制。
1.2溫控系統(tǒng)可選方案的比較
通過引言里介紹，目前擠出機(jī)在溫控的方式上，一般有4種方式。通過表1，我們能夠看到，在控制回路數(shù)目多，工業(yè)協(xié)議信息化，有智能化自診斷要求的應(yīng)用場(chǎng)景中，在成本、組態(tài)、維護(hù)、控制精度等綜合指標(biāo)上，可配置多路溫控器有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。
表 1 四種方式的比較
2 擠出機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成和溫控器特點(diǎn)
2.1系統(tǒng)構(gòu)成
此套擠出機(jī)系統(tǒng)可分為2個(gè)獨(dú)立的擠出機(jī)設(shè)備分別進(jìn)行控制，2個(gè)PLC和觸摸屏通過 Ethernet/IP總線通訊，PLC和多回路溫控器通過RS-485通訊。本系統(tǒng)選擇方案配置為：歐姆龍CP1H-E×2+NB10W+若干多路溫控器。見圖2。
圖 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)圖
2.2可編程多路溫控器的特點(diǎn)
本系統(tǒng)使用國(guó)產(chǎn)可配置多路控制器，圖3為其中一款的接線圖。目前，多路溫度控制器是基于智能化、信息化、高集成度、高可用性的需求，設(shè)計(jì)推出了很多全新的產(chǎn)品，可以在復(fù)雜的溫度控制領(lǐng)域，尤其在擠出機(jī)上能夠有效降低客戶的組態(tài)、安裝、維護(hù)等產(chǎn)品的周期成本；可以為客戶提供快速的安裝、安全可靠的啟動(dòng)。最少的停機(jī)時(shí)間，最大限度提高了產(chǎn)品性能和生產(chǎn)效率。一般溫控器支持以下特性和功能特點(diǎn)：
圖 3 多路溫控器接線圖
（1）支持多種工業(yè)總線協(xié)議及以太網(wǎng)工業(yè)協(xié)議，如EtherNET/IP、EtheCAT、ModbusTCP、ModbusRTU、CANopen、Profinet等；
（2）智能自診斷，錯(cuò)誤的顯示，上報(bào)信息，診斷及信息服務(wù)；
（3）PID精確的算法，具有高精度、無超調(diào)、節(jié)能特性；
（4）支持雙PID加熱冷卻控制和單PID加熱控制；
（5）可自整定，支持多回路控制分組；
（6）受控制的啟動(dòng)過程；
（7）傳感器故障輸出功能及自動(dòng)恢復(fù)控制；
（8）自動(dòng)/手動(dòng)切換；
（9）在線校驗(yàn)，測(cè)量值修正。
3 擠出機(jī)系統(tǒng)性能指標(biāo)和溫控關(guān)鍵點(diǎn)
3.1擠出機(jī)性能指標(biāo)
擠出機(jī)的性能指標(biāo)主要有以下2個(gè)：
（1）熔體壓力：根據(jù)原料的不同，PP/PE/PVC要求的熔體壓力也不一樣，一般范圍在15~35MPa，精度要求±1MPa. 壓力過高會(huì)降低生產(chǎn)效率，增加能耗比，而且會(huì)造成模具漏料，設(shè)備損壞；壓力過小則制品不利于成型，浪費(fèi)原材料。壓力的高低和原料及機(jī)筒螺桿有關(guān)，同時(shí)和溫度也有很大關(guān)系，溫度對(duì)壓力是可控的。
（2）熔體溫度：熔體溫度一般不超過230℃， 超過此極限，材料的熱降解嚴(yán)重，影響管材的質(zhì)量；溫度過低，物料塑化不好，成型產(chǎn)品表面粗糙。熔體溫度的控制精度要求±5℃。這就要求溫控精確，越精確管材質(zhì)量越好。
3.2溫度控制關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)
擠出機(jī)控制的關(guān)鍵點(diǎn)在于主機(jī)速度的穩(wěn)定及熔體溫度的精確。這里主要闡述熔體的溫度控制。熔體溫度的控制精度，主要在三個(gè)方面：一方面取決于溫度采集的精度，即PID反饋信號(hào)的精度，本例擠出機(jī)所采用的多回路溫控器為PID加自適應(yīng)模糊邏輯Ziegler Nichols算法，具有高精度，特征分辨率在0.1℃；另一方面取決于執(zhí)行器的響應(yīng)時(shí)間，響應(yīng)越快，精度越高，本例多路溫控器為20ms采樣周期，速度為毫秒級(jí)；第三個(gè)最重要的因素是閉環(huán)控制的PID參數(shù)是否合適。合適的PID能夠保證超調(diào)小，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)速度快，偏差小；前2個(gè)因素為客觀因素，第3個(gè)因素為主觀因素，由調(diào)試者設(shè)定PID參數(shù)，這也是擠出機(jī)控制的難點(diǎn)，本例溫度控制器支持2種PID自整定方案，支持多回路控制分組和耦合關(guān)系的設(shè)定，整定出合適的PID參數(shù)操作簡(jiǎn)單。
擠出機(jī)的難點(diǎn)在于相鄰加熱區(qū)互相影響溫度，機(jī)筒螺桿剪切熱對(duì)溫區(qū)影響及冷卻風(fēng)機(jī)對(duì)溫區(qū)的影響。
擠出機(jī)溫度控制區(qū)的溫度反饋，一般采用的是2線制K型或J型的熱電偶進(jìn)行測(cè)量。見圖4。
圖 4 擠出機(jī)的風(fēng)機(jī)及熱電偶
擠出機(jī)溫控分為3個(gè)區(qū)：機(jī)筒區(qū)、法蘭區(qū)和模具區(qū)。熔體溫度控制依靠固態(tài)繼電器的導(dǎo)通控制電阻絲加熱來提高溫度。固態(tài)繼電器作為執(zhí)行器，較之普通接觸器可靠性更高，且無觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)、速度快。尤其是可以快速通斷的特點(diǎn)，十分適合于PID控制的PWM輸出。
而本文擠出機(jī)的固態(tài)繼電器導(dǎo)通是由多路溫控器的溫度PID輸出控制的。同時(shí)機(jī)筒熔體溫度還受外部冷卻風(fēng)機(jī)的影響，機(jī)筒區(qū)冷卻一般采用交流接觸器控制3相交流250W風(fēng)機(jī)直吹機(jī)筒來實(shí)現(xiàn)。作為執(zhí)行器，交流接觸器響應(yīng)速度慢，觸點(diǎn)接通線圈，不宜于快速頻繁啟動(dòng)，在冷卻PID參數(shù)設(shè)置要更加合理。
4 擠出機(jī)PID溫度控制系統(tǒng)解決方案及編程
4.1歐姆龍CP1H-E和溫控器通訊
CP1H-E通過歐姆龍CP1W-CIF12選件板和多回路溫控器建立RS-485通訊接口。主站為CP1H-E，從站為溫控器，一個(gè)RS-485網(wǎng)絡(luò)可以連接32個(gè)從站設(shè)備，傳送距離為50m。硬件連接為屏蔽雙絞線連接電纜，同時(shí)軟件需要正確通信設(shè)置，保持主站和從站通訊一致。主站CP1HE軟件設(shè)置，如圖5。從站溫控器可以用自帶面板設(shè)置。
圖 5 CP1H-E 通信設(shè)置
4.2PID 自整定
見圖6，多路溫控器的自整定和溫控表類似，可根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，進(jìn)行自整定。通電，啟動(dòng)自整定，通過幾次的溫升溫降后，會(huì)整定出合適的PID參數(shù)，從而取得高精度的溫度控制效果。根據(jù)選擇需要，機(jī)筒區(qū)加熱選擇雙PID加熱冷卻控制，模具區(qū)選擇單PID加熱控制。同時(shí)加熱選擇脈寬調(diào)制加熱輸出值，即通過PWM來控制固態(tài)繼電器的通斷，從而實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。冷卻PID選擇開關(guān)模式，減少頻繁啟動(dòng)，適合接觸器啟停。
圖 6 PID 自整定設(shè)置
在溫控器面板可以設(shè)置過程值的上下限，分別設(shè)為300℃和-20℃，同時(shí)可設(shè)置其它需要的智能診斷和報(bào)警，如加熱電流監(jiān)控，控制回路報(bào)警，斷偶報(bào)警等。以上溫控器的參數(shù)，包括各加熱區(qū)溫度的設(shè)置值和反饋值，通過CP1H-E的讀寫，直接反映在觸摸屏上。
4.3 軟件編程
根據(jù)基本通訊協(xié)議，采用ModbusRTU協(xié)議，從模式通訊連接RS-485。歐姆龍CP1H-E通過軟件編程讀寫溫控器的參數(shù)。
(1)寫指令如圖7。
圖7 寫數(shù)據(jù)程序塊
指令表述為通過節(jié)點(diǎn)1，寫入數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)的歐姆龍CP1H-E的功能碼#10，地址為0040，串口1，通過A641.00端口1開始執(zhí)行， 這是標(biāo)準(zhǔn)歐姆龍串口程序。通過 Ethernet/IP總線通訊，CP1H-E和NB觸摸屏變量連接，可以在觸摸屏上設(shè)置溫度、溫度最大值和最小值等參數(shù)。
(2)讀命令如圖8。
圖 8 讀數(shù)據(jù)程序塊
指令表述為通過節(jié)點(diǎn)1，讀取數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)的歐姆龍CP1H-E的功能碼#3，地址為0040，串口1，通過A641.00端口1開始執(zhí)行。同理可以在觸摸屏上讀取溫度、狀態(tài)和報(bào)警。
4.4 運(yùn)行效果
這套擠出機(jī)采用歐姆龍CP1H-E×2+NB10W+若干多路溫控器的控制方案，已經(jīng)推出2年，在高速生產(chǎn)線上運(yùn)行效果良好，對(duì)擠出機(jī)的各區(qū)溫度控制精度很高，基本誤差在±0.5℃，目前該方案已經(jīng)成為三壘公司的標(biāo)準(zhǔn)配置。
5 結(jié)論
可配置多路溫控器特別適用擠出機(jī)溫控系統(tǒng)，從目前的擠出機(jī)4種方案來說，它具有非常大的優(yōu)勢(shì)。希望這種產(chǎn)品的研發(fā)越多越好，推動(dòng)裝備制造業(yè)自動(dòng)化、信息化、智能化，滿足客戶在成本、性能與效率的持續(xù)需求。
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