1、毕业论文 文献综述 电气工程及自动化 拉链挤出机的电气控制系统设计 摘要： 针对在塑料挤出过程中温度控制的重要性，介绍了分离温度调节仪表或 基于 PLC 的闭环反馈控制系统两种控制方法，以及一种新型的 PID 温度控制系统。 关键词： 单螺杆；挤出机； PLC； PID 1 前言 塑料挤出机广泛应用于塑料的混炼、填充和挤出成型，其主体是螺杆、机头以及相配的多段机筒。为了保证工艺上的需要，各段机筒均需维持温度恒定及相互间预定的温度梯度 .在挤出过程中， 机筒及机头承担将塑料料粒预热、加温或冷却以达到正常操作温度、满足工艺要求的 任务。为此，机筒必须具有加热和冷却双重控制功能。对应螺杆长径比不同，
2、机简的段数不同，每段机筒的设定温度也不同。机筒及机头温度控制的效果直接影响着挤出速率和挤出制品的质量。由挤出理论可知 , 温度过低将无法成型或者使挤出制品的物理性能和表观质量差温度过高则容易产生气泡、降解甚至焦烧，因此必须对挤出过程的温度予以控制。机筒及机头温度控制装置的可靠性及温控精度是保证制品品质的关键因素之一。 2 控制系统简介 基于 PLC的闭环反馈控制系统是目前比较精确的控制系统。基于 PLC的温度控制系统测量、调节温度的一般过程是 :温度 传感器 (热电偶或热电阻 )检测到料筒和机头的温度模拟量信号后送入 PLC的模拟量输入模块或温度调节模块 ， PLC从模块中读取温度实测值与温度
3、设定值进行比较得到偏差。按照 PLC内部相应的控制策略或算法 ,求得相应的控制量去控制固态继电器的通断时间以调节电加热器的加热功率和冷却风机的冷却时间 ,从而实现对料筒和机头温度的测量和控制。采用这种控制方案显然成本较高 ,同时如果现场的 I/O信号众多 ,模拟量信号调节回路数目较多 ， PLC内部控制策略、算法再较为复杂的话 ， 无疑会加重 PLC的运行负担 ,降低其运行效率。 国内挤出机温度控制 系统一般采用 “温控仪表 +接触器 +电加热器 ”的控制方式。早期的国产挤出机温控系统采用二位式调节仪表，通过简单地接通继电器开关控制加热圈通断，以达到控制料筒温度的目的，该方案温控效果很不理想，
4、超调量大，响应时间长，稳态误差大 (达10 )。后来，采用三位式调节仪表，它的控温精度为 5 。随着技术进步出现了使用时间比例式仪表，由于在温度逼近设定点时采用比例式调节，使温度的上冲下冲得到一定程度的缓和，能使控温精度达 3 。 目前，大部分挤出机温控仪表都采用 PID算法。控制精度有很大的提高，精 度 达 1 ,但超调依然存 在，且控制参数由人工现场整定，对精度要求高的挤出机温度控制系统大多采用进口温度控制仪表，调整很费时间。这些调节仪表能够输出电压脉冲，并能以自适应数字PID调节方式工作，可以在线整定控制参数，其最终的控温精度可控制在 1 以内 7。 PID 控制是过程控制中应用最广泛、
5、最基本的一种控制方法。虽然控制理论和控制技术日趋完善和成熟 ， 但目前大多数工业过程仍采用 PID控制 ， 其原因是这种控制方法并不要求精确的受控对象的数学模型 ， 简单易行、稳定性好、可靠性高 ， 并能满足大多数工业过程控制的要求。在 PID控制中 ， 控制器系数 的整定和自适应问题 ， 是提高工业过程控制品质的关键。 该系统是一个闭环反馈控制系统 ， 温度传感器 (热电偶 ) 检测到的料筒和机头温度信号 , 送给温度模块 ， PLC 从温度模块中读取温度值 PV 与设定温度 SP 进行比较 ， 得到偏差 e(t) = SP - PV。如果存在差值 ， 就要对此偏差 e(t)按 PID 算法
6、进行修正 ， 求得相应的控制量 u ，去控制固态继态器的通断时间 ,调节电加热器的加热功率 ， 从而实现对料筒和机头温度的控制。 传统的 PID 控制调节规律的算式为： dtdeKMe d tKeKtMcin itia ltcc 0即输 出 =比例项 +积分项 +微分项 +输出的初始值，式中， M(t)是控制器的输出，误差信号te = tSP - tPV ， initialM 是回路输出的初始值， CK 是 PID回路的增益， IT 和 DT 分别是积分时间常数和微分时间常数。 比例环节是成比例的反映控制 系统的偏差信号 e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差 ; 微分环节
7、能反映偏差信号的变化趋势，按照偏差的变化趋势来控制，改善控制对象的品质，增强系统的稳定性；积分环节主要用于消除误静差 ,提高系统的无差度，它对误差进行积分，对系统控制有一定的滞后作用，积分作用过强，会造成系统超调增大，甚至引起振荡。 本系统中，为了防止积分饱和，将积分环节分离出来，当偏差减少至一定范围内 , 才加入积分环节。因此，当偏差 |e(t) |较大时，为避免系统超调， 不加入积分环节 ;当 |e(t)| 较小时，积分环节有效， 随 |e(t)|的减少而增大，以消除系统的稳态误差。同时，为保证温度控制能迅速达到额定值，而不出现大的超调量，采取的措施是 :在温度从室温到离额定温度还差 50
8、 的自由升温过程中，固态继电器一直是导通的，以加速升温 ; 当温度偏差小于50 而大于 715 %设定温度时，进行 PID 控制；当温度偏差不到 715 %设定温度时，采用PID 调节，以减小超调量，提高控温精度。 3 总结 分析了目前国内外单螺杆挤出机温度控制方法及发展趋势，确定了本挤丝机控制系统的硬件组成 ： 以 PLC为控制器，完成对挤出机工艺温度和电机参数的集 中控制 ； 以触摸屏为人机交互，实现对温控过程和电机运行状态的监控。采用 PID控制算法，该算法实时性强，且容易在 PLC上实现。开发了以 PLC为控制核心，采用多回路不等温塑料挤出机温度控制系统，该系统可实现对挤出机各区加热温
9、度的集中控制。温控实验取得较好的效果 ， 稳态精度小于3 。 参考文献 1 赵卫东，辛宏，王元，刘和平 .PLC 在温度控制系统中的应用 J.仪器仪表学报 ,2001.22(4):469-477. 2 王伟明 ， 徐绍宏 ， 吴大鸣 .无规共聚聚丙烯管材加工技术及应用 J.塑料 ， 2000.8. 3 吴大鸣 ， 李晓林 ， 刘颖 .影响挤出成形精密度的因素 J.塑料， 2003.2. 4 汪海燕 .基于 PLC的温度控制系统 J.微计算机信息， 2009.25(1):87-88. 5 张还 .基于 PLC和智能温控表的塑料挤出机温度控制系统设计 J.塑料工业， 2010（ 38） :1. 6
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