雙螺桿擠出壓片機調(diào)速系統(tǒng)改進

桂林電子科技大學(xué) 王寬田 葉俊明 蘇鵬鑒

桂林泓成橡塑科技有限公司 伍夢軍

桂林電子科技大學(xué) 劉海燕

雙螺桿擠出壓片機調(diào)速系統(tǒng)改進

桂林電子科技大學(xué) 王寬田 葉俊明 蘇鵬鑒

桂林泓成橡塑科技有限公司 伍夢軍

桂林電子科技大學(xué) 劉海燕

密煉機間歇性的工作方式，和橡膠特有的高彈性，使得雙螺桿擠出壓片機控制系統(tǒng)存在著非線性、時變性等復(fù)雜的問題。為了解決這些問題給傳統(tǒng)雙螺桿擠出壓片機調(diào)速控制系統(tǒng)帶來的缺陷，采用橡膠工業(yè)控制中普遍使用的PLC可編程控制器實現(xiàn)模糊控制算法，將兩者的優(yōu)勢有效地結(jié)合起來，可方便企業(yè)工廠在不增加硬件設(shè)備成本的前提下提高雙螺桿擠出壓片機的控制系統(tǒng)性能。

雙螺桿擠出壓片機；非線性；調(diào)速控制系統(tǒng)；模糊控制；PLC

1.引言

在輪胎生產(chǎn)過程中，膠料加工是一項看似簡單卻又十分重要的工作，它影響到輪胎各種部件膠料的質(zhì)量，雙螺桿擠出壓片機是密煉機重要的下輔機，由于其工作效率高，生產(chǎn)連續(xù)化，節(jié)能環(huán)保，省人工，易維修，占地小等優(yōu)勢，贏得了眾多密煉機用戶的青睞。橡膠工業(yè)市場上的雙螺桿擠出壓片機種類繁多，本文對其中一種雙螺桿擠出壓片機的調(diào)速系統(tǒng)進行研究。雙螺桿擠出壓片機實際生產(chǎn)應(yīng)用中，輥筒及螺桿轉(zhuǎn)速、被加工材料的特性、機筒溫度、出口壓力等因素都會影響橡膠制品的質(zhì)量[1]。優(yōu)良的橡膠制品，不僅要正確地選用原料、加工的設(shè)備及合理的工藝參數(shù)，控制系統(tǒng)的設(shè)計也是相當(dāng)關(guān)鍵的。本文以提高系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量為目的，就一款XJY-SZ330型的雙螺桿擠出壓片機的調(diào)速控制系統(tǒng)進行研究改進。

2.雙螺桿擠出壓片機的工作原理

橡膠的配料配置完成后，將被送到密煉機，由密煉機高溫密煉后通過喂料斗送入雙螺桿擠出壓片機中，作為密煉機下輔機的擠出壓片機的螺桿要求能在最短的時間把松散的膠料壓實并迅速擠出后壓延成片。

該雙螺桿擠出壓片機系統(tǒng)的電氣控制功能分為兩部分：手動操作功能和自動運行功能。手動功能是通過人工調(diào)節(jié)操作臺上的擠出機和壓片機的給定電位器來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，以達到產(chǎn)品的工藝要求。自動功能是通過調(diào)節(jié)操作臺上的自動給定電位器來調(diào)節(jié)壓片機轉(zhuǎn)速，同時根據(jù)設(shè)定的出膠壓力自動調(diào)節(jié)擠出機的轉(zhuǎn)速。本文主要研究的是自動運行部分。

在自動運行的條件下：為使XJYSZ330型雙螺桿擠出壓片機(以下簡稱“擠出壓片機”)產(chǎn)出連續(xù)規(guī)則的橡膠片，密煉機下料到喂料斗后，喂料斗內(nèi)置的料位感應(yīng)器將料位信號傳遞至擠出壓片機的控制器，控制器根據(jù)預(yù)先的設(shè)定將輥筒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在相應(yīng)的數(shù)值：當(dāng)喂料斗內(nèi)橡膠過多時，控制器調(diào)節(jié)輥筒速度至高速，使橡膠被擠出壓片機迅速擠出；當(dāng)喂料斗內(nèi)橡膠適中時，控制器調(diào)節(jié)輥筒速度至中速，使橡膠被勻速擠出；當(dāng)喂料斗內(nèi)橡膠過少時，控制器調(diào)節(jié)輥筒速度至低速，保證橡膠的連續(xù)出片。

而螺桿速度則在輥筒速度的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)，當(dāng)螺桿內(nèi)橡膠過多，其電機電流值因此過大時，控制器將調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)速使其單位時間遞減1轉(zhuǎn)的速度下降，使電流回穩(wěn)至設(shè)定的參考值，以使橡膠在出片的過程能均勻、穩(wěn)定和連續(xù)；反之，當(dāng)螺桿內(nèi)膠料過少，電機電流此時的值過小時，控制器將調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)速使其單位時間遞增1轉(zhuǎn)的速度上升，使電流升至參考值。

由于密煉機出膠的間歇性，螺桿的電流會產(chǎn)生非線性的波動，當(dāng)變化率過大，電流未達到上限值，螺桿轉(zhuǎn)速需線性遞減，但無法及時跟進，這時螺桿將在一個較長的時間段內(nèi)承受較大的負(fù)載，此時螺桿內(nèi)膠料較多，擠出的橡膠密度也較大，且由于橡膠等高聚物本身的粘彈性和多種膠料共混的復(fù)雜情況，擠出的膠片形狀會相對變厚。當(dāng)螺桿負(fù)載變小，電機電流減小到中間參考值時，螺桿速度將突然由先前的高速轉(zhuǎn)到一個對應(yīng)的速度勻速運轉(zhuǎn)，機器速度的變化較大，此時擠出的橡膠厚度密度都會發(fā)生改變。如此看來，傳統(tǒng)調(diào)速方式會使螺桿電機速度產(chǎn)生較大的波動，不僅如此，還會對擠出的橡膠片質(zhì)量產(chǎn)生不良的影響。

3.基于模糊控制算法的控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總系統(tǒng)PLC程序設(shè)計

生產(chǎn)實踐證明，當(dāng)負(fù)載變化率較小，傳統(tǒng)的單位時間遞增/遞減1轉(zhuǎn)的速度足以滿足控制要求。而當(dāng)負(fù)載變化率較大，傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)則難以跟隨負(fù)載及時地將螺桿電流回穩(wěn)，如此將會造成橡膠給螺桿造成長期的壓力，不僅出膠質(zhì)量受到影響，螺桿電機的使用壽命也受到影響。模糊控制則能解決這個問題，它將熟悉的操作人員的經(jīng)驗體現(xiàn)在控制上，能根據(jù)實時的電流值給出相應(yīng)的速度，避免了傳統(tǒng)單位時間遞減1轉(zhuǎn)的速度跟不上負(fù)載變化率的問題。

由于模糊控制的控制精度并不是很理想[2]，因此本文采用模糊控制與傳統(tǒng)控制方式相結(jié)合的控制方式。當(dāng)電流誤差變化率較小時采用傳統(tǒng)控制方式，較大時采用模糊控制方式。使系統(tǒng)能較快的、較精確地調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)速以滿足生產(chǎn)需求。其中模糊控制器選擇的是雙輸入單輸出型，雙輸入分別是實時電流與參考電流的差值E，和該差值的變化率EC[3]。

總體的程序結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1中的主程序主要完成對采樣的電流或電壓信號進行A/D或D/A的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)各個故障狀態(tài)讀取及處理，系統(tǒng)各部分報警狀態(tài)設(shè)定，輔機的啟動和調(diào)節(jié)，壓片機的啟動和其輥距的調(diào)節(jié)，壓片機和擠出機的速度匹配，中間值的轉(zhuǎn)換，及與觸摸屏連接信號等。本文主要研究其中的模糊控制部分。

其中判斷EC大小可以由下面的圖2做參考：

本課題的誤差變化率EC是誤差的微分值，曲線上某點微分的幾何意義相當(dāng)于該點附近的斜率，當(dāng)斜率是正的，如上圖a)所示，將線a的斜率設(shè)為界限，當(dāng)EC值大于a的斜率如a1則采用模糊控制，小于a的斜率如a2則采用傳統(tǒng)控制；同理當(dāng)EC值是負(fù)的，小于b)圖中的b則采用模糊控制，反之采用傳統(tǒng)控制。為防止機器瞬間產(chǎn)生的誤差影響控制方式的選擇，可以在采EC一段時間前采用傳統(tǒng)控制，當(dāng)該采樣時間到，EC的值一直處于采用模糊控制的范圍，則選取模糊控制。

圖1 總系統(tǒng)PLC程序框圖Fig.1 PLC programme flow diagram of total system

圖2 誤差變化率大小分析圖Fig.2 analysis plot for EC dimension

3.2 模糊控制器的設(shè)計

1）根據(jù)操作人員的經(jīng)驗確定雙輸入E、EC和單輸出U的模糊集合的隸屬度函數(shù)，為方便計算，將E用A代表，EC用B代表，U用C代表，Ai，Bi，Ci代表各自集合下的論域語言值，并將其以矢量形式表示，列成如表1的表格[4]。

2）根據(jù)各模糊集合的隸屬度函數(shù)表，確定的模糊控制規(guī)則確定模糊關(guān)系[4]Rl（l=1，2，…，9），如：

其中E*和EC*分別是表中的A1和B1，由此求出控制器輸出模糊矢量，然后通過加權(quán)平均法求出

輸出量u*，最后由式子（5-2）得到最終的輸出控制量u。

若u’的變化范圍為[Umin，Umax]，實際控制量的變化范圍為[umin，umax]，采用線性變化，則[5]

圖3 雙螺桿擠出壓片機模糊控制的PLC程序流程圖Fig.3 PLC programme flow chart of twin screw sheeter’s fuzzy control

模糊算法PLC的程序流程圖

模糊控制PLC的程序流程圖如圖3。

通過A/D模塊，PLC讀取螺桿電流值，程序先讀取論域、量化因子、比例因子即E和EC的初始值。然后根據(jù)需要判斷螺桿電流是否過高，如果過高則意味著螺桿承受的壓力過大，需快速減速，根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定減少7-9轉(zhuǎn)，使電樞電流降至正常數(shù)值運行，以保護擠出主電機。這個限制電流的設(shè)定范圍在150-270A，默認(rèn)值為250A。然后判斷螺桿電流是否過低，如果小于等于該電流值則停止運行，這個電流值的設(shè)定范圍在90-120A，默認(rèn)值為95A。誤差是實時電流與參考電流的差，程序可以通過計算后直接讀取。誤差變化率則根據(jù)流程圖所示由式子△E/dt=（E(t)-E(t-1)）/dt求取。根據(jù)上一小節(jié)的分析，當(dāng)EC在一段設(shè)定的時間內(nèi)滿足模糊控制條件，則主程序調(diào)用模糊控制子程序，反之調(diào)用傳統(tǒng)調(diào)速方式。

進入模糊控制后，判斷E，EC是否超出模糊控制的論域范圍，大于則將其改為對應(yīng)的上限，小于則改為對應(yīng)的下限。接著根據(jù)量化后的E，EC查詢離線計算出的查詢表得出模糊控制量U，最終乘以相應(yīng)的量化因子得到實際的控制量u給予D/A模塊輸出控制電機轉(zhuǎn)速。

表1 模糊集合A的隸屬度函數(shù)Table1 membership function of fuzzy set A

4.總結(jié)

本文首先探討了雙螺桿擠出壓片機的調(diào)速系統(tǒng)中的不足，針對其特點提出將模糊控制應(yīng)用到其控制系統(tǒng)中，并提出將傳統(tǒng)控制與模糊控制相結(jié)合的新思路。接著介紹模糊控制器的設(shè)計方案，最后給出新的調(diào)速系統(tǒng)PLC流程圖。使用PLC實現(xiàn)模糊控制算法將兩者的優(yōu)勢有效地結(jié)合起來，可方便企業(yè)工廠在不增加硬件設(shè)備成本的前提下提高雙螺桿擠出壓片機系統(tǒng)的控制性能，此外，帶模糊控制算法的系統(tǒng)具有較廣泛的推廣應(yīng)用前景，稍加改進和完善后可直接應(yīng)用在其他工業(yè)控制中的調(diào)速和溫控領(lǐng)域。本項目若能研制成功，將為高效、低耗和穩(wěn)定的連續(xù)塑膠技術(shù)的開發(fā)提供有力的保證。

[1]武義.螺桿擠出機膠料擠出性能研究[D].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué).2007.5

[2]張化光,何希勤等.模糊自適應(yīng)控制理論及其應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社.2002.

[3]曾光奇,胡均安,王東等.模糊控制理論與工程應(yīng)用[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社.2000

[4]諸靜.模糊控制理論與系統(tǒng)原理[M].北京:機械工業(yè)出版社.2005

[5]湯兵勇,路林吉,王文杰.模糊控制理論與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社.2002

Improvement Design of Twin Screw Sheeter Speed Control System Based on Fuzzy Control

The fi tful work of mixer，and the high elasticity of rubber，made the twin screw sheeter’s control system had the nonlinear，time variant and other complicated problems.In order to solve the defects that these problems brought to the traditional twin screw sheeter’s speed control system，adopted PLC which rubber industry commonly used，to realize fuzzy control in twin screw sheeter，can combine their advantages effectively.These can also improve twin screw sheeter’s control system performance without adding any equipment cost.

Twin screw sheeter；nonlinear；traditional speed control system；fuzzy control；PLC

王寬田（1986—），男，廣西北海人，大學(xué)本科，桂林電子科技大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師。