張臨松，王士軍，陳 偉，孫增光，周永鑫

（山東理工大學 機械工程學院，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)中得到廣泛的應用，而塑料擠出機是塑料生產(chǎn)加工的主要設備，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，主機是塑料擠出機，輔機是與主機配套的后續(xù)塑料擠出成型設備，塑料擠出機不管是在現(xiàn)在還是未來的幾十年內(nèi)，都將會是塑料加工行業(yè)中應用最為廣泛的一種機械。那么設計多路溫度控制可以提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量在經(jīng)濟上是有意義的。

1 塑料擠出機硬件及軟件設計

擠塑機作為塑料擠出機的主體，主要由3個系統(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)包含機頭、料斗、螺桿、模具、機筒，為了得到均勻的熔體，在擠壓系統(tǒng)中，需要把塑質(zhì)材料進行塑化，而在整個塑化過程中，需要在特定的壓力下，螺桿把塑料連續(xù)的擠出機頭。在擠出過程中螺桿的好壞直接影響到塑料擠出機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 塑料擠出機結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Plastic molding machine concrete direction

機筒是塑料擠出機另一個重要組成部分，它良好的耐熱、耐腐蝕性對于提高生產(chǎn)效率十分關鍵，塑質(zhì)材料的軟化，粉碎，壓實等過程是需要機筒和螺桿相互配合下完成的，在一般情況下，機筒的長度是直徑的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)整和截斷塑料流體，在料斗底部和側(cè)面，分別安裝了截斷裝置，標定計量裝置。選用韌性很高的導熱性好的合金鋼為機頭，在機頭內(nèi)部安裝有成型的磨具，機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)過在機筒內(nèi)的塑化壓實，以及經(jīng)過多孔濾板，熔化的塑料通過機頭按照設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)機頭的螺桿和塑料流動方向所成的角度，塑料擠出機的機頭分成2種，一種是斜角機頭，另一種是直角機頭。而在機床的床體上需要把機頭的外殼固定住，模芯座存在于機頭的模具上，在機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)安裝在機器前頭的位置，用于平衡機器所帶來的壓力。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。同時在機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螺桿所需要的轉(zhuǎn)速，力矩，塑料擠出機安裝了驅(qū)動螺桿裝置。減速機以及電動機是螺桿的重要組成部分。當減速機的結(jié)構(gòu)形狀大體一致時，減速機的體積越大生產(chǎn)價格也就越高，而對于螺桿半徑相同的擠出機，速度和效率高的擠出機與普通的擠出機相比較來說，普通的擠出機損耗的能源損耗要多，此裝置的電動機功率是普通電動機的2倍，因此減速機的機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。當減速機大小相同時，齒輪模數(shù)的大小與減速比大小有關，減速比大齒輪模數(shù)的大，當齒輪的模數(shù)小時承受負荷的能力就會比較弱。通過上述分析減速機的外形尺寸的大小不跟電機功率的大小成線性關系。塑料擠出機工作過程中的必要條件是加熱與冷卻。

塑料擠出機一般應用最多的加熱方式是電加熱，具體分為感應加熱方式和電阻加熱方式，在塑料擠出機的機身、機脖、機頭各個部分安裝加熱片。加熱裝置對機筒內(nèi)的塑料進行加熱，使得溫度升高，使得溫度升高到工藝要求所需標準，為下一道工序做好準備。

由于螺桿旋轉(zhuǎn)摩擦會產(chǎn)生部分熱量，使用冷卻裝置可以適當?shù)慕档蜏囟葟亩_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。機筒冷卻一般為水冷或者風冷。風冷一般應用在小型設備，而對于大型設備中，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 塑料擠出機的工作原理

塑料擠出機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，通過各個工序在加工出符合標準的塑材。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。當然還可以用在塑料混合、著色、摻合等。

1.2 控制系統(tǒng)的設計思路

塑料擠出機的溫度控制的關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)的軟件設計

為了完成擠出過程中的自動化控制，塑料擠出機在PLC的控制下能夠?qū)崿F(xiàn)了其設計任務，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

PID是閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例-積分-微分控制算法，通過給定值與實際值的差值按照PID算法計算出輸出控制量，S7-200有3種方式實現(xiàn)PID的控制，分別是PID向?qū)АID指令、自己編程實現(xiàn)，這3種方式只有PID向?qū)Ь哂熊浖С止δ?，在不能精準掌握被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)和不能獲得準確的數(shù)學模型的情況下，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。當不能明確一個系統(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，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)學模型

加熱器選擇鑄鋁加熱器，通過理論分析和參考文獻都證明了鑄鋁電阻加熱器相當于一個電阻爐，可以用一個一階慣性環(huán)節(jié)外加一個延遲環(huán)節(jié)來近似。參考借鑒機電一體化系統(tǒng)使用設計案例精選加熱器的數(shù)學模型為

通過查閱標準和借鑒前人的勞動成果，可以取加熱器的時間常數(shù)Tp=630 s，純滯后時間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)學模型為

2.2 調(diào)節(jié)器的選擇與參數(shù)計算

由于鑄鋁加熱器的加熱過程可以分為3個階段：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)視溫度是否達到預設值。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，比如開關調(diào)節(jié)、大林算法、PD調(diào)節(jié)、PID調(diào)節(jié)等，本次設計選用現(xiàn)實中準確可行的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、 微分時間常數(shù)、積分時間常數(shù)和比例系數(shù)；X（K）是本次采樣時恒定溫度與實際溫度之差。

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)。當輸出控制量為215時全速加熱即接通一個周期；當控制量為0時，就一直關；當輸出控制量在0～215之間導通時間為uct（K）/215 T。PID算法流程如3所示。

3 結(jié)語

塑料擠出機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，因此設計溫度控制系統(tǒng)是具有經(jīng)濟意義的。提出一個總體設計方案。然后進行了硬件選型，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。通過設計PID算法進行PLC程序編從而達到控制溫度的目的，在此設計中PID算法是編程控制核心。經(jīng)設計結(jié)果表明可以滿足設計要求。

圖3 算法流程圖3 Algorithm flow chart