傳統擠出機的溫控壓力調速與用PLC的比較

東莞市常平鎮松柏塘村華立工業村 523561

摘要：介紹了sIMATlcs7—200可編程控制器在塑料擠出機溫度控制系統中的應用，控制回路采用PID參數自整定和脈寬詞功法.控制系統把傳統的PID控制和PLC的邏輯判斷指令結合起來，使PID控制更為靈活.能滿足生產過程的要求。詳細描述了系統的工作原理和PLC的硬件組成、軟件編制，簡單介紹了上機的組態軟件wincc。

關鍵詞：擠出機；PLC；溫控壓力調速

可編程控制器PIC（ProgranUnable Logic controller）是一種進行數字運算的電子系統，是專為在工業環境下的應用而設計的工業控制器…。目前，國內的塑料擠出機生產廠家大都是采用簡單的溫控儀表和溫控電路進行控制，這種溫度控制存在精度差、超調量大等缺點，很難滿足生產高質量塑料制品的要求。本文介紹了PLC在塑料型材生產線溫度控制系統中的應用。采用PJ.c作為溫度控制系統的接心，克服了以往儀表控制的單回路凋節器的缺點；同時利用PT.c邏輯控制的優點，與輸人、輸出信號通過簡單的編程實現聯鎖，可以對各種情況及時做出反應，使控制系統更加穩定可靠。在設計中，我們選用了sIMATlcs7—200可編程序控制器，s7—200是模塊化中小型PLC系統，能滿足中等性能要求的應用。

1硬件構成

中央處理單元（cPu）采用cPu一314IFM，帶有一個MPl接口，可以連接編程器、Pc機、操作面板，集成有20個數字輸入端、16個數字輸出端、4模擬輸入端、1模擬輸出端、閉環控制功能塊PID控制器。數字量輸出模塊選用sM322，DO8×230vACREL。模擬量輸入模板選用SM331，AI8×12位，參數可通過模板上的量程模塊和用STEP7設定；通道按兩路一紐劃分，每次只能給一組通道設定參數；輸A的熱電偶可以是類型N、E、J、K、L，可以通過sTEP7設定；溫度補償可以用內部補償，也可用外部補償，外部補償比內部補償更精確。

本系統中溫度傳感器選用K型熱電偶，其測溫范圍適中，線性度較好，相應的模人模板量程模塊上的位置置于“A”。溫度補償方式采用內部補償。輸出控制電路是通過固態繼電器（SSR）凋功方式完成的。只要在給定周期內改變固態繼電器的通斷時間比，就能達到改變加熱功率的目的，從而實現溫度調節。硬件配置如表I所示。

表1

硬件名稱型號硬件名稱型號

PLC西門子S7-200主電機變頻器ABB：GS510

觸摸屏西門子SM322壓力傳感器

熱電偶K型溫度模塊231-7TF

壓力模塊235-OKD電機Y180M-4.18.5KW

喂料電機變頻器東元7200MA

2工作原理

該系統是一個閉環反饋控制系統，溫度傳感器（熱電偶）檢測到的料筒和機頭溫度信號，送給溫度模塊，PLC從溫度模塊中讀取溫度值PV與設定溫度SP進行比較，得到偏差e（￡）=VP—Pv。如果存在差值，就要對此偏差e（￡）按PID算法進行修正，求得相應的控制量去控制固態繼態器的通斷時間，調節電加熱器的加熱功率，從而實現對料筒和機頭溫度的控制。

PID控制是過程控制中應用最廣泛、最基本的一種控制方法；雖然控制理論和控制技術目趨完善和成熟，但目前大多數工業過程仍采用PID控制，其原因是這種控制方法并不要求精確的受控對象的數學模型，簡單易行、穩定性好、可靠性高，并能滿足大多數工業過程控制的要求。在PID控制中，控制器系數的整定和自適應問題，是提高工業過程控制品質的關鍵。

傳統的PID控制調節規律的算式為：

式中，e（f）=SP—PV為PID控制器的輸入信號；U（t）為控制器輸出信號，Kp為比例系數，Ti為積分系數，Td為微分系數。

比例環節是成比例的反映控制系統的偏差信號e（t），偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差；微分環節能反映偏差信號的變化趨勢，按照偏差的變化趨勢來控制，改善控制對象的品質，增強系統的穩定性；積分環節主要用于消除誤靜差，提高系統的無差度，它對誤差進行積分，對系統控制有一定的滯后作用.積分作用過強，會造成系統超凋增大，甚至引起振蕩。

本系統中，為了防止積分飽和，將積分環節分離出來，當偏差減少至一定范圍內，才加入積分環節。因此.當偏差︳e（t）︳較大時，為避免系統超調，不加入積分環節；當︳e（t）︳較小時，積分環節有效，隨︳e（t）︳的減少而增大.以消除系統的穩態誤差。同時，為保證溫度控制能迅速達到額定值，而不出現大的超調量，采取的措施是：在溫度從室溫到離額定溫度還差50℃的自由升溫過程中，固態繼電器一直是導通的，猛加速升溫；當溫度偏差小于50℃而太于7.5%設定溫度時，進行PD控制；當溫度偏差不到7.5%設定溫度時，采用PID調節，以減小超調量，提高控溫精度。

控制器參數的整定[2]采用一種對輸入輸出關系在線辨識而整定系數的調諧方法來產生多回路系統的控制系數，具體過程如下：給系統加入一階躍輸入（100%功率），測量料簡的溫度變化情況，由于溫度階躍響應曲線具有s型曲線特性。其傳遞函數可表示如下：

，r為系統時滯，K為系統常數，r為系統時間常數。

根據ziegler—NIchols調諧法：

直線斜率 R=（T2-T1）/（t2-t1）

滯后時間 r=t1-（T1-T0）/R

PID參數 Kp=1.2/（Rt）

Ti=2t

Td=O.5t

T0、T1、T2分別是料筒O、t1、t2時刻的溫度。根據上述算法，可得到PID控制算法的三個主要參數Kp，Ti，Td。

T1、T2、T3乃分別是料筒O、t1、t2時刻的溫度。根據上述算法，可得到PID控制算法的三個主要參數Kp、Kj、Kd。

溫度到達設定溫度后，系統進入衰減振蕩期。如果PID參數選取適當，會得到一個超調小、衰減快、靜差小的響應；如果有較大擾動或系統的滯后太大會使系統控制品質變壞。本系統中采用了一種簡單適應的控制方法（圖2），用下式表述：

當e（t）>e，且o，固態繼電器按比例通斷；其它情況下，進行PlD控制。

式中，e（t）為溫度偏差，e為死區閾值（本系統中取2℃）。這種控制方法考慮了實際溫度的變化趨勢，達到了減少超凋和波動的目的，有一定的自適應效果。

3系統的軟件控制程序

軟件部分是整個溫控系統的重要組成部分，編程工具采用STEP7v5.1。STEP7為用戶實施自動化工程提供了不同的工具，有SIMATIc管理器、符號編輯器、硬件配置、通訊、信息功能等，可提供語句表（STL）、梯形圖（LAD）、功能塊圖（FBn）三種PLc編程語言。STEP7在PC機上應用，必須配置PC適配器，可運行于WINDOWS95/98/NT下。PC適配器實現計算機的串行口與PLC的MPI口連接，實現對PLC進行數據實時監控、修改、在線編輯等，方便地方程序下載到PLC中或從PLC中讀出。

軟件的控制程序包括濱模擬輸入量程序PID參數自整定程序，PID控制程序.溫度報警程序四個功能塊。

讀模擬輸入量程序塊[1]，把模人模塊輸入量讀回，轉變為實際溫度值并順序存人數據塊，模人模塊的起始地址、通道數、存儲數據號及數據在數據塊中的存儲起始位置均是可變的。在溫度模塊中，一個數字量代表測量值0.1℃。參數自整定塊根據前面介紹的方法整定出三個參數傳遞給PⅢ控制器CONT-C（功能塊FB41），cONT—c輸出值送給PULS-CEN（功能塊FB43），PULSE—GEN輸出為控制固態繼電器的脈沖信號。PID控制程序塊運用PLc的邏輯判斷指令進行積分分離的PID控制或自適應PID控制。溫度報警程序控制測量溫度大于上限值或小于下限值時，分別置位上限或下限報警標志，進行聲光報警；當測量溫度小于上限值扣除死區后的數值，復位上限報警；測量溫度大于下限值加上死區后的數值，復位下限報警。

4上位機系統

上位機監控系統選用WinCC組態軟件，winCC是一個“真正開放的”HMISCADA軟件。winCC軟件主要包括數據采集、數據管理起始畫面：2個基本功能。

起始畫面：

1、此畫面為首次開機后顯示的畫面，可以切換至本系統任何一幅畫面。

2、此畫面顯示設備廠家的名稱、地址和電話等，并可以切換至目錄、幫助、密碼、設置、溫度曲線畫面。

3、按一下計數清零可以清除當前的切割次數計數測量值。

4、按下 F1 鍵

·進入 PAGE-F1 畫面。

此畫面即為開機啟動時的畫面。

·可觀察軟件的版本、機型是否正確。

·按F13鍵進入 PAGE-F01B 畫面，此畫面為幫助信息畫面。

·按F14鍵進入 PAGE-F11E 畫面，此畫面為幫助信息畫面。

·按F15鍵進入 PAGE-F01C 畫面，此畫面為密碼設置畫面。

·按F16鍵進入 PAGE-F01D 畫面，此畫面為系統設置畫面。

·按F17鍵進入 PAGE-F05A 畫面，此畫面為主機、加料、牽引、機頭4小時壓力曲線畫面。

·按F18鍵進入 PAGE-F11A 畫面，此畫面為工藝存取畫面。

·按F19鍵進入 PAGE-F11E 畫面，此畫面為流言記錄畫面。

·按F20鍵返回

一、數據采集是指從現場采集數據并進行相應處理，數據采集主要由下位機PLC完成，

幫助畫面

屏幕兩側 F1 ～ F12 鍵標為對應鍵的中文解釋。

·本畫面為功能鍵 F* 鍵提示畫面，從中可了解到 F* 鍵的意義。

·按 F13鍵進入 PAGE-F01B 畫面。

·按 F14進入 PAGE-F11E 畫面。

·按 F20 鍵進入 PAGE-F01 畫面。

設置畫面：

在此畫面中可以設定主機的額定轉速和電流，加料額定轉速，牽引額定速度，保溫時間，牽引微調單位，熔體額定壓力和各區溫度修正值，可以選擇切割方式，還可以對機筒四區、機頭七區的使用情況做出選擇。

winCC通過變量標簽與PLC進行數據交換：數據管理是把從現場采集到的數據送到上位機的數據庫以及由數據庫訪問函數讀取數據，然后再送到應用中，比如顯示、打印、報警等。

主機畫面

按下 F02 鍵。

·進入畫面 PAGE-F02。

。

按下 F02 鍵。

·本畫面用于設備正常運行中操作人員監視設備工作狀態時使用。

·本畫面還顯示擠出機主機各部位溫度棒圖。

參數監視

按下 F03 鍵。

·進入畫面 PAGE-F03。

1、在此畫面中可以設定主機、加料、牽引速度并顯示各自的實測速度。

2、電機的速度設定以底色為白色為標志，顯示以底色為藍色為標志

參數檢測

按下 F5 鍵。

·進入畫面 PAGE-F05。

·顯示擠出機主機運行狀態：包括雙螺桿主機的機頭壓力、轉速及電流；加料機的電機轉速及電流；牽引機的電機轉速及電流等的實測值、設定值和速比值，以及主機，加料機和牽引電流極限值，熔體 壓力極限值。

·顯示擠出系統溫度參數：包括主機料筒（EH）一、二、三區、四區料筒溫度，合流體溫度（EA）和機頭（ED）一、二、三、四、五、六區的溫度等。

·本畫面用于設備正常運行中操作人員監視設備工作狀態及修改參數時使用。

按下 F7 鍵。

·進入畫面 PAGE-F01 報警信息畫面

·顯示報警清單，按 F13 鍵可以顯示此前500條報警歷史記錄，按ESC 鍵返回本畫面。

·發生報警時，將在本屏幕中出現提示對話框。

1、故障報警：

·報警燈閃亮。

·各屏幕狀態指示屏中的報警符號將被激活。

·屏幕上會自動彈出對話框，說明警告或報警的內容，產生的原因及排除方法。

2、清除報警器和清除報警：

·按下黃色 ACK 鍵，可清除報警對話框。

·按下 F10 鍵，可清除報警燈，同時調出報警畫面，報警內容前燈會點亮。

·按下 F12 鍵，可清除報警燈，同時會有下列兩種可能出現

A：如報警故障已排除，報警提示會自動消失。

B：如報警故障未排除，報警燈仍會顯示。

注：通常應答報警的步驟是，先按 F10 鍵，再按黃色 ACK 鍵。

winCC提供適用于工業的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模板，可使用戶能夠設計出界面良好的、功能完善的監控系統。

5結淪

本系統是為北京化工大學塑料機械研究所管材擠出生產線開發的溫度控制系統。該系統投人運行后，各項性能指標有較大提高，溫度超調不超過3℃.靜差小于±l℃，提高了系統的可靠性和抗干擾能力；同時，良好的操作界面，使操作人員可以在較短時間內掌握整個操作過程。

參考文獻：

[1] 尹新正，王偉明 PLC在塑料擠出機溫度控制系統中的應用 塑料工業 CHINA PLASTICS INDUSTRY 2002，30（5）北京化工大學塑料機械及塑料工程研究所，北京，100029

[2] 邢曉波，胡少平 基于PLC和變頻傳動的自控技術橡塑 技術與裝備CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY EQUIPMENT 2010，36（12）杭州中策橡膠有限公司蕭山分廠，浙江，杭州，310052

[3]梁耀光 余文烋 主編 電工新技術教程

上接第368頁

（1）須首先繪制鈑金零件展開草圖，并且草圖輪廓必須是封閉的。另外，展開零件的長度必須考慮折彎系數。

（2）確定好彎曲半徑，同時確定繪制折彎特征的中心線。

（3）所形成的實體，均不能出現自相交叉的情況。

在實際生產設計過程中，管狀零件總成上有許多快速接頭、緊固件等鈑金零件。對于例如卡箍這種類似圓形的鈑金件，利用SolidWorks中的繪制折彎特征，可以非常簡便的進行三維實體繪制。

利用繪制折彎特征的零件造型方法

以圖4（左圖為零件展開圖）所示的卡箍零件為例，介紹一下使用繪制折彎特征繪制鈑金零件，其步驟如下：

圖4 圓環狀鈑金零件三維造型

（1）首先計算卡箍的展開長度，繪制卡箍的展開圖。

（2）利用折疊命令將卡箍兩端的彎角按尺寸要求先進行折彎。

（3）根據卡箍半徑在展開鈑金件外繪制一中心線。

（4）利用繪制折彎特征，以中心線作為折彎中心，輸入折彎半徑（卡箍半徑）就可繪制出卡箍的三維造型了。

4結論

通過實例，通過利用掃描特征命令、放樣特征命令和繪制折彎特征命令的功能，使得管狀零件及其鈑金附件的三維造型得以快速繪制。因這些零件在汽車實際裝配過程中經常使用，因此該繪制方法比較具有實用價值。

管狀零件及其鈑金附件的繪制方法有很多，關鍵在于根據零件的實際形狀、結構特征，選擇好合適的特征進行繪制，才能達到事半工倍的效果。

參考文獻：

[1]李啟炎，李光耀。SolidWorks2003三維設計教程。北京，機械工業出版社，2004。

[2] SolidWorks。SolidWorks鈑金。北京，清華大學出版社，2003。