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，并介紹了該系統的硬件組成及軟件編程的方法和技巧。該溫控系統硬件簡單、控溫精度高、性能穩定，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定性。
　　現有一臺單螺桿擠出機，由于較早購置，擠出機的溫控系統采用分離儀表控制方案。其加熱方式為加熱瓦分區加熱。根據工藝要求，各區設定不同加熱溫度，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，溫控表為斷續控溫方式，因此各加熱區溫度波動較大，塑料制品的加工質量難以穩定。
　　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。經試驗，該系統控溫精度高，硬件簡單可靠，塑料制品加工質量穩定。
　　設備概況如下：
　　單螺桿擠出機，D=120mm，L/D=25，最大產量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.系統硬件配置
　　本系統采用德國 SIMENS公司的 S7-3002 可編程序控制器為控制核心，可實現溫度的采集與自動調節。系統要求實現12路溫度控制，每一回路均為設定固定值控制。根據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個數字輸入端、16個數字輸出端、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PID控制。
　　數字量輸出模塊選用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，實現對溫度的實時監控。
　　系統硬件配置如下：

圖1系統硬件結構組成 



圖2 溫度變化示意圖
3.系統工作原理
　　本系統是一個閉環反饋控制系統。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，經模擬量輸入模塊SM331，由CPU讀取。CPU將讀取的數值PV與設定值SP進行比較，得到偏差e = SP—PV。根據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，比例調節反映系統偏差的大小，只要有偏差存在，比例調解就會產生控制作用，以減少偏差。微分調節根據偏差的變化趨勢來產生控制作用，它可以改善系統的動態響應速度。積分調節根據偏差積分的變化來產生控制作用，對系統的控制有滯后的作用，可以消除靜態誤差。增大積分時間常數可提高靜態精度，但積分作用太強，特別是在系統偏差較大時會使系統超調量較大，甚至引起振蕩3。因此，本系統中，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，因此死區閥值ξ=0.7△T1，ξ的大小根據實際情況決定。
　　（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段狀態不同，所設定的溫度也不同，因此不同的區段控制精度也不同。
　　在固體輸送段，物料為固態顆粒，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域，物料開始熔融。物料逐漸由固態熔融為液態。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數據塊。程序運行時，FB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來實現各回路的溫度控制計算。本系統中比例調解功能塊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成為P、PI、PD和PID控制器。FB41中的用戶參數如設定值、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數據塊中，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的輸入參數，等于FB41的輸出值。
　　（4）與上位機通信的設計與實現
　　PLC與上位機的通信主要通過讀取和改變 PLC的DB 來實現，包括實際溫度數據塊、設定溫度數據塊、加熱繼電器信息數據塊、冷卻繼電器信息數據塊、各中間繼電器報警信息數據塊等。
　　（5）PID參數的整定
　　先采用 Ziegler-Nichols4方法獲得系統的 P、I、D 參數，然后在現場用試湊法加以修正。
　　Ziegler-Nichols方法整定參數 PID 參數具體方法如下：
　　給系統施以階躍激勵（全功率加熱），根據階躍響應曲線測量出系統的放大系數 K、等效時間系數 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、微分參數Ti、積分參數Td，見表1。
表1 Ziegler-Nichols整定公式



6.上位機監控系統
　　人機監控界面采用西門子組態軟件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等。下面闡述監控系統的功能及實現方法。
　　6.1主屏功能與實現
　　主屏主要顯示各加熱區實際溫度，加熱器及冷風機的開閉狀態等，通過圖形編輯器和相應的標簽管理來實現。
　　6.2溫度趨勢圖的設計與實現
　　溫度趨勢圖主要顯示各加熱區的歷史溫度和當前溫度，通過WinCC將時間取樣數據和事件記錄在數據庫，通過曲線的變化反映溫度的歷史記錄。
7.結束語
　　本論文創新點：根據擠出理論，分析擠出機各段的溫度分布情況，根據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，降低了控制難度。用PLC做控制核心，WinCC作監控軟件，實現溫度控制的要求。經試驗，在新的溫控系統控制下，擠出機工作平穩，取得良好的控制效果，溫度超調量小于3℃，靜態誤差小于±1℃。
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