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                   摘  要: 針對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算法和脈寬調制原理的擠出機溫度控制系統(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)硬件簡單、控溫精度高、性能穩(wěn)定，具有較高的實用價值。 
關鍵詞: 可編程序控制器;溫度控制;比例積分微分算法;脈寬調制
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量，例如制品表面的殘余應力、收縮率及制品質量的穩(wěn)定性。
　　現(xiàn)有一臺單螺桿擠出機，由于較早購置，擠出機的溫控系統(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。由于溫控電路結構復雜，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)溫度波動較大，塑料制品的加工質量難以穩(wěn)定。
　　針對上述情況，我們設計了以PLC為控制核心的多回路不等溫塑料擠出機溫度控制系統(tǒng)。經(jīng)試驗，該系統(tǒng)控溫精度高，硬件簡單可靠，塑料制品加工質量穩(wěn)定。
　　設備概況如下：
　　單螺桿擠出機，D=120mm，L/D=25，最大產(chǎn)量450Kg/h，12個加熱段，固體輸送段3個，熔融段4個，熔體輸送段3個，機頭2個。采用風冷方式冷卻。
2.系統(tǒng)硬件配置
　　本系統(tǒng)采用德國 SIMENS公司的 S7-3002 可編程序控制器為控制核心，可實現(xiàn)溫度的采集與自動調節(jié)。系統(tǒng)要求實現(xiàn)12路溫度控制，每一回路均為設定固定值控制。根據(jù)實際要求選用相應的功能模塊。
　　其中CPU模塊選用CPU-314IFM，其帶有一個MPI接口，集成有20個數(shù)字輸入端、16個數(shù)字輸出端、4個模擬輸入端、1個模擬輸出端，內部集成PID控制功能塊，可以方便的實現(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)通過模板上的量程和STEP7設定;通道按兩路一組劃分。
　　溫度傳感器選用K型熱電偶，其測溫圍適中，線性度較好，將SM331模塊量程置于“A”。采用內部補償溫度補償方式。
　　電源模塊選用PS307。
　　上位機通過適配器與 PLC 組成MPI連接。PLC與上位機之間可相互通信，實現(xiàn)對溫度的實時監(jiān)控。
　　系統(tǒng)硬件配置如下：

圖1系統(tǒng)硬件結構組成 



圖2 溫度變化示意圖
3.系統(tǒng)工作原理
　　本系統(tǒng)是一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。在一個采樣周期內，溫度傳感器（熱電偶）將檢測到的料筒與機頭溫度信號，經(jīng)模擬量輸入模塊SM331，由CPU讀取。CPU將讀取的數(shù)值PV與設定值SP進行比較，得到偏差e = SP—PV。根據(jù)偏差的大小和溫度控制策略進行計算，得到控制輸出，即繼電器在一個采樣周期中的導通比，經(jīng)過脈寬調制，最后得到繼電器在一個采樣周期中的導通時間。通過控制繼電器在一個采樣周期中的導通時間即可控制加熱器的加熱時間，或者冷卻風機的工作時間，從而達到控制溫度的目的。
4.溫度控制策略
　　在進行PID調解時，比例調節(jié)反映系統(tǒng)偏差的大小，只要有偏差存在，比例調解就會產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。微分調節(jié)根據(jù)偏差的變化趨勢來產(chǎn)生控制作用，它可以改善系統(tǒng)的動態(tài)響應速度。積分調節(jié)根據(jù)偏差積分的變化來產(chǎn)生控制作用，對系統(tǒng)的控制有滯后的作用，可以消除靜態(tài)誤差。增大積分時間常數(shù)可提高靜態(tài)精度，但積分作用太強，特別是在系統(tǒng)偏差較大時會使系統(tǒng)超調量較大，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為機筒或機頭某一段的設定溫度，±△T1，±△T2，為第一、第二溫度區(qū)間值。
　　熱電偶測的溫度用T表示，控制策略如下：
　　（1） 當T 
　　（2） 當Tm-△T2 
　　（3） 當Tm-△T1 
　　自適應PID控制如圖3所示，當溫度T>Tm+ξ且在采樣周期中，溫度持續(xù)上升，則繼電器斷開（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)實際情況決定。
　　（4）當T>Tm+△T1時，接通風機，強制冷卻。
　　由于物在料擠出機的不同區(qū)段狀態(tài)不同，所設定的溫度也不同，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，物料與機筒之間的作用力是摩擦力。在摩擦力作用下，電機的機械能轉化為熱能，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，與機筒內壁接觸處的物料達到熔融溫度區(qū)域，物料開始熔融。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，同時又要防止物料溫度過高分解，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，同時也要保證物料溫度均勻分布。該段的溫度控制結果決定了最終的溫度控制結果，因此這一段的溫度控制精度最高。

圖3.溫度自適應控制
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，因此采用結構化程序設計方法設計溫度控制程序。比例調解功能塊FB用于計算，每一個加熱段對應一個相應DB數(shù)據(jù)塊。程序運行時，F(xiàn)B調用相應的DB塊進行計算，得出各加熱段相應的輸出量。
　　（1）比例調解功能塊FB3，它主要由功能塊FB41和FB43組成。由FB41根據(jù)溫度偏差進行PID運算，計算出輸出量（即繼電器在一個采樣周期中的導通率），再由FB43將其轉化成脈沖信號，完成脈寬調制。程序在一個采樣周期中多次調用功能塊FB來實現(xiàn)各回路的溫度控制計算。本系統(tǒng)中比例調解功能塊FB通過OB35中斷調用。OB35是定時中斷組織塊，在程序中設定20s間隔運行。
　　（2）功能塊FB41完成PID控制算法。FB41中P、I、D以位置式驗算參與工作。比例（P）、積分（I）、微分（D）作用以并行結構的形式相連接，通過激勵軟件跳選開關可組態(tài)成為P、PI、PD和PID控制器。FB41中的用戶參數(shù)如設定值、過程變量、操縱變量、比例增益、積分時間、微分時間、采樣時間、量化處理、功能選擇等存儲在各加熱段相應的DB數(shù)據(jù)塊中，可在線或離線修改。
　　（3）功能塊FB43完成脈寬調制，脈沖輸出時間 采用如下計算公式：
　　
　　式中 PER_TM——脈沖輸出周期，等于功能塊FB41的采樣時間20s，INV——功能塊FB43的輸入?yún)?shù)，等于FB41的輸出值。
　　（4）與上位機通信的設計與實現(xiàn)
　　PLC與上位機的通信主要通過讀取和改變 PLC的DB 來實現(xiàn)，包括實際溫度數(shù)據(jù)塊、設定溫度數(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（全功率加熱），根據(jù)階躍響應曲線測量出系統(tǒng)的放大系數(shù) K、等效時間系數(shù) T 、純滯后時間 t ,然后按 Ziegler-Nichols 公式計算出 PID 算法中所需的比例參數(shù)、微分參數(shù)Ti、積分參數(shù)Td，見表1。
表1 Ziegler-Nichols整定公式



6.上位機監(jiān)控系統(tǒng)
　　人機監(jiān)控界面采用西門子組態(tài)軟件WinCC6.05。通過讀取PLC的DB 塊，在上位機上可顯示各加熱段實際溫度，加熱器或風機的開閉狀態(tài)等。下面闡述監(jiān)控系統(tǒng)的功能及實現(xiàn)方法。
　　6.1主屏功能與實現(xiàn)
　　主屏主要顯示各加熱區(qū)實際溫度，加熱器及冷風機的開閉狀態(tài)等，通過圖形編輯器和相應的標簽管理來實現(xiàn)。
　　6.2溫度趨勢圖的設計與實現(xiàn)
　　溫度趨勢圖主要顯示各加熱區(qū)的歷史溫度和當前溫度，通過WinCC將時間取樣數(shù)據(jù)和事件記錄在數(shù)據(jù)庫，通過曲線的變化反映溫度的歷史記錄。
7.結束語
　　本論文創(chuàng)新點：根據(jù)擠出理論，分析擠出機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設計智能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，實現(xiàn)溫度控制的要求。經(jīng)試驗，在新的溫控系統(tǒng)控制下，擠出機工作平穩(wěn)，取得良好的控制效果，溫度超調量小于3℃，靜態(tài)誤差小于±1℃。
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