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                   摘  要: 針對(duì)溫度控制在塑料擠出中的重要性，本文介紹了以可編程序控制器為核心、采用智能PID算法和脈寬調(diào)制原理的擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)，并介紹了該系統(tǒng)的硬件組成及軟件編程的方法和技巧。該溫控系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)單、控溫精度高、性能穩(wěn)定，具有較高的實(shí)用價(jià)值。 
關(guān)鍵詞: 可編程序控制器;溫度控制;比例積分微分算法;脈寬調(diào)制
1.引言
　　在塑料擠出中，熔融物料溫度控制的效果直接影響了擠出制品的質(zhì)量，例如制品表面的殘余應(yīng)力、收縮率及制品質(zhì)量的穩(wěn)定性。
　　現(xiàn)有一臺(tái)單螺桿擠出機(jī)，由于較早購(gòu)置，擠出機(jī)的溫控系統(tǒng)采用分離儀表控制方案。其加熱方式為加熱瓦分區(qū)加熱。根據(jù)工藝要求，各區(qū)設(shè)定不同加熱溫度，采用溫控儀表加繼電器的溫控方式。由于溫控電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障率較高，此外，溫控表為斷續(xù)控溫方式，因此各加熱區(qū)溫度波動(dòng)較大，塑料制品的加工質(zhì)量難以穩(wěn)定。
　　針對(duì)上述情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了以PLC為控制核心的多回路不等溫塑料擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)。經(jīng)試驗(yàn)，該系統(tǒng)控溫精度高，硬件簡(jiǎn)單可靠，塑料制品加工質(zhì)量穩(wěn)定。
　　設(shè)備概況如下：
　　單螺桿擠出機(jī)，D=120mm，L/D=25，最大產(chǎn)量450Kg/h，12個(gè)加熱段，固體輸送段3個(gè)，熔融段4個(gè)，熔體輸送段3個(gè)，機(jī)頭2個(gè)。采用風(fēng)冷方式冷卻。
2.系統(tǒng)硬件配置
　　本系統(tǒng)采用德國(guó) SIMENS公司的 S7-3002 可編程序控制器為控制核心，可實(shí)現(xiàn)溫度的采集與自動(dòng)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)12路溫度控制，每一回路均為設(shè)定固定值控制。根據(jù)實(shí)際要求選用相應(yīng)的功能模塊。
　　其中CPU模塊選用CPU-314IFM，其帶有一個(gè)MPI接口，集成有20個(gè)數(shù)字輸入端、16個(gè)數(shù)字輸出端、4個(gè)模擬輸入端、1個(gè)模擬輸出端，內(nèi)部集成PID控制功能塊，可以方便的實(shí)現(xiàn)PID控制。
　　數(shù)字量輸出模塊選用SM322，DO8 ×230VAC。模擬量輸入模板選用 SM331，AI8 ×12 位，參數(shù)通過(guò)模板上的量程和STEP7設(shè)定;通道按兩路一組劃分。
　　溫度傳感器選用K型熱電偶，其測(cè)溫圍適中，線性度較好，將SM331模塊量程置于“A”。采用內(nèi)部補(bǔ)償溫度補(bǔ)償方式。
　　電源模塊選用PS307。
　　上位機(jī)通過(guò)適配器與 PLC 組成MPI連接。PLC與上位機(jī)之間可相互通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
　　系統(tǒng)硬件配置如下：

圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成 



圖2 溫度變化示意圖
3.系統(tǒng)工作原理
　　本系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。在一個(gè)采樣周期內(nèi)，溫度傳感器（熱電偶）將檢測(cè)到的料筒與機(jī)頭溫度信號(hào)，經(jīng)模擬量輸入模塊SM331，由CPU讀取。CPU將讀取的數(shù)值PV與設(shè)定值SP進(jìn)行比較，得到偏差e = SP—PV。根據(jù)偏差的大小和溫度控制策略進(jìn)行計(jì)算，得到控制輸出，即繼電器在一個(gè)采樣周期中的導(dǎo)通比，經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制，最后得到繼電器在一個(gè)采樣周期中的導(dǎo)通時(shí)間。通過(guò)控制繼電器在一個(gè)采樣周期中的導(dǎo)通時(shí)間即可控制加熱器的加熱時(shí)間，或者冷卻風(fēng)機(jī)的工作時(shí)間，從而達(dá)到控制溫度的目的。
4.溫度控制策略
　　在進(jìn)行PID調(diào)解時(shí)，比例調(diào)節(jié)反映系統(tǒng)偏差的大小，只要有偏差存在，比例調(diào)解就會(huì)產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。微分調(diào)節(jié)根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)來(lái)產(chǎn)生控制作用，它可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。積分調(diào)節(jié)根據(jù)偏差積分的變化來(lái)產(chǎn)生控制作用，對(duì)系統(tǒng)的控制有滯后的作用，可以消除靜態(tài)誤差。增大積分時(shí)間常數(shù)可提高靜態(tài)精度，但積分作用太強(qiáng)，特別是在系統(tǒng)偏差較大時(shí)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)量較大，甚至引起振蕩3。因此，本系統(tǒng)中，我們智能PID溫控策略。
　　圖2中，Tm為機(jī)筒或機(jī)頭某一段的設(shè)定溫度，±△T1，±△T2，為第一、第二溫度區(qū)間值。
　　熱電偶測(cè)的溫度用T表示，控制策略如下：
　　（1） 當(dāng)T 
　　（2） 當(dāng)Tm-△T2 
　　（3） 當(dāng)Tm-△T1 
　　自適應(yīng)PID控制如圖3所示，當(dāng)溫度T>Tm+ξ且在采樣周期中，溫度持續(xù)上升，則繼電器斷開(kāi)（a→b，g→h），停止加熱;T 
　　注意，由于在加料段和熔融段，物料控制的精度要求相對(duì)低一些，因此，在這兩段的死區(qū)閥值ξ=△T1，在熔融輸送段和機(jī)頭，物料控制的精度要求高，因此死區(qū)閥值ξ=0.7△T1，ξ的大小根據(jù)實(shí)際情況決定。
　　（4）當(dāng)T>Tm+△T1時(shí)，接通風(fēng)機(jī)，強(qiáng)制冷卻。
　　由于物在料擠出機(jī)的不同區(qū)段狀態(tài)不同，所設(shè)定的溫度也不同，因此不同的區(qū)段控制精度也不同。
　　在固體輸送段，物料為固態(tài)顆粒，物料與機(jī)筒之間的作用力是摩擦力。在摩擦力作用下，電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，物料被擠壓成固體塞。物料溫度升高，軟化，該段的設(shè)定溫度低于物料的熔融溫度，溫度控制精度較低。
　　在熔融段，與機(jī)筒內(nèi)壁接觸處的物料達(dá)到熔融溫度區(qū)域，物料開(kāi)始熔融。物料逐漸由固態(tài)熔融為液態(tài)。該階段物料需要吸收大量的熱，同時(shí)又要防止物料溫度過(guò)高分解，因此該段溫度控制精度較高。
　　在熔體輸送段，該段又被稱為均化段。在這一段一是要保證物料成分均勻混合，同時(shí)也要保證物料溫度均勻分布。該段的溫度控制結(jié)果決定了最終的溫度控制結(jié)果，因此這一段的溫度控制精度最高。

圖3.溫度自適應(yīng)控制
5.PLC編程
　　本系統(tǒng)采用STEP7 5.3，選用梯形圖編制溫度控制程序。由于本溫控系統(tǒng)中每一回路采用的控制策略及所完成的功能均相同，因此采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)溫度控制程序。比例調(diào)解功能塊FB用于計(jì)算，每一個(gè)加熱段對(duì)應(yīng)一個(gè)相應(yīng)DB數(shù)據(jù)塊。程序運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)B調(diào)用相應(yīng)的DB塊進(jìn)行計(jì)算，得出各加熱段相應(yīng)的輸出量。
　　（1）比例調(diào)解功能塊FB3，它主要由功能塊FB41和FB43組成。由FB41根據(jù)溫度偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，計(jì)算出輸出量（即繼電器在一個(gè)采樣周期中的導(dǎo)通率），再由FB43將其轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)，完成脈寬調(diào)制。程序在一個(gè)采樣周期中多次調(diào)用功能塊FB來(lái)實(shí)現(xiàn)各回路的溫度控制計(jì)算。本系統(tǒng)中比例調(diào)解功能塊FB通過(guò)OB35中斷調(diào)用。OB35是定時(shí)中斷組織塊，在程序中設(shè)定20s間隔運(yùn)行。
　　（2）功能塊FB41完成PID控制算法。FB41中P、I、D以位置式驗(yàn)算參與工作。比例（P）、積分（I）、微分（D）作用以并行結(jié)構(gòu)的形式相連接，通過(guò)激勵(lì)軟件跳選開(kāi)關(guān)可組態(tài)成為P、PI、PD和PID控制器。FB41中的用戶參數(shù)如設(shè)定值、過(guò)程變量、操縱變量、比例增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間、采樣時(shí)間、量化處理、功能選擇等存儲(chǔ)在各加熱段相應(yīng)的DB數(shù)據(jù)塊中，可在線或離線修改。
　　（3）功能塊FB43完成脈寬調(diào)制，脈沖輸出時(shí)間 采用如下計(jì)算公式：
　　
　　式中 PER_TM——脈沖輸出周期，等于功能塊FB41的采樣時(shí)間20s，INV——功能塊FB43的輸入?yún)?shù)，等于FB41的輸出值。
　　（4）與上位機(jī)通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　PLC與上位機(jī)的通信主要通過(guò)讀取和改變 PLC的DB 來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括實(shí)際溫度數(shù)據(jù)塊、設(shè)定溫度數(shù)據(jù)塊、加熱繼電器信息數(shù)據(jù)塊、冷卻繼電器信息數(shù)據(jù)塊、各中間繼電器報(bào)警信息數(shù)據(jù)塊等。
　　（5）PID參數(shù)的整定
　　先采用 Ziegler-Nichols4方法獲得系統(tǒng)的 P、I、D 參數(shù)，然后在現(xiàn)場(chǎng)用試湊法加以修正。
　　Ziegler-Nichols方法整定參數(shù) PID 參數(shù)具體方法如下：
　　給系統(tǒng)施以階躍激勵(lì)（全功率加熱），根據(jù)階躍響應(yīng)曲線測(cè)量出系統(tǒng)的放大系數(shù) K、等效時(shí)間系數(shù) T 、純滯后時(shí)間 t ,然后按 Ziegler-Nichols 公式計(jì)算出 PID 算法中所需的比例參數(shù)、微分參數(shù)Ti、積分參數(shù)Td，見(jiàn)表1。
表1 Ziegler-Nichols整定公式



6.上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)
　　人機(jī)監(jiān)控界面采用西門子組態(tài)軟件WinCC6.05。通過(guò)讀取PLC的DB 塊，在上位機(jī)上可顯示各加熱段實(shí)際溫度，加熱器或風(fēng)機(jī)的開(kāi)閉狀態(tài)等。下面闡述監(jiān)控系統(tǒng)的功能及實(shí)現(xiàn)方法。
　　6.1主屏功能與實(shí)現(xiàn)
　　主屏主要顯示各加熱區(qū)實(shí)際溫度，加熱器及冷風(fēng)機(jī)的開(kāi)閉狀態(tài)等，通過(guò)圖形編輯器和相應(yīng)的標(biāo)簽管理來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　6.2溫度趨勢(shì)圖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　溫度趨勢(shì)圖主要顯示各加熱區(qū)的歷史溫度和當(dāng)前溫度，通過(guò)WinCC將時(shí)間取樣數(shù)據(jù)和事件記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)曲線的變化反映溫度的歷史記錄。
7.結(jié)束語(yǔ)
　　本論文創(chuàng)新點(diǎn)：根據(jù)擠出理論，分析擠出機(jī)各段的溫度分布情況，根據(jù)各加熱段所處的不同位置，采用不同的溫度控制精度來(lái)設(shè)計(jì)智能PID溫度控制系統(tǒng)，降低了控制難度。用PLC做控制核心，WinCC作監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)溫度控制的要求。經(jīng)試驗(yàn)，在新的溫控系統(tǒng)控制下，擠出機(jī)工作平穩(wěn)，取得良好的控制效果，溫度超調(diào)量小于3℃，靜態(tài)誤差小于±1℃。
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