基于PLC的螺桿擠出機(jī)控制系統(tǒng)

張 軍

（內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川省內(nèi)江市 641199）

塑料具有物化性質(zhì)穩(wěn)定、價格低廉、質(zhì)量輕、密度小、絕緣性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在建筑、醫(yī)療、航天、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域［1-3］。螺桿擠出機(jī)是用于熱塑性塑料加工生產(chǎn)的主要設(shè)備之一，具有物料輸送能力大、擠出量控制精確、物料混合均勻等優(yōu)點，在塑料加工生產(chǎn)領(lǐng)域被廣泛使用［1-3］?，F(xiàn)有擠出機(jī)控制系統(tǒng)大多采用單片機(jī)或工控機(jī)進(jìn)行邏輯控制和數(shù)據(jù)采集，控制系統(tǒng)穩(wěn)定性較低，不能保證擠出機(jī)的連續(xù)運行。擠出機(jī)控制系統(tǒng)主要由主控制器、人機(jī)交互系統(tǒng)、外圍儀表以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，主要作用是通過主控制器完成邏輯控制、伺服電機(jī)驅(qū)動，輸出滿足工藝要求的電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率，并完成外部傳感器（如溫度、壓力）的采集，以實現(xiàn)整個螺桿擠出機(jī)系統(tǒng)的自動控制。

可編程控制器（PLC）具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，硬件配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)等特點［4-9］，廣泛應(yīng)用于復(fù)雜的工業(yè)控制領(lǐng)域。為了保證螺桿擠出機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，實現(xiàn)自動化控制和數(shù)據(jù)的實時采集，本工作設(shè)計了一款以日本松下公司的FP-XC60R型PLC為控制核心的螺桿擠出機(jī)控制系統(tǒng)，通過PLC完成螺桿擠出機(jī)的邏輯自動控制程序，通過松下公司的模擬量采集模塊實現(xiàn)外部傳感器數(shù)據(jù)采集。為了解決傳統(tǒng)比例積分微分（PID）控制方法自適應(yīng)能力差的缺陷，設(shè)計了模糊PID自適應(yīng)控制方法，并通過仿真驗證該控制系統(tǒng)的有效性和可靠性。

1 螺桿擠出機(jī)架構(gòu)

螺桿擠出機(jī)主要由進(jìn)料系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)以及真空系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)示意見圖1。螺桿擠出機(jī)工作時，物料通過進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)入擠出機(jī)，在螺桿帶動下進(jìn)入到料筒，料筒中的物料在加熱系統(tǒng)的作用下不斷被融化成流體狀態(tài)，流體在螺桿的帶動下均勻分散在料筒內(nèi)部，并隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)不斷向前運動，最終流體被傳送到末端模具內(nèi)腔中，加工成具有一定形狀的塑料制品。

圖1 螺桿擠出機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of screw extruder

2 螺桿擠出機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)螺桿擠出機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可編程性，采用松下公司的FP-XC60R型PLC作為螺桿擠出機(jī)的控制核心，并結(jié)合伺服驅(qū)動器實現(xiàn)擠出機(jī)工作過程的自動控制，通過高速脈沖輸出端口實現(xiàn)伺服電機(jī)的速度和位置精確控制。通過PLC的數(shù)字量輸入和輸出端口實現(xiàn)擠出機(jī)料筒的加熱，由PLC模擬量采集模塊實現(xiàn)溫度和壓力等模擬量值的采集，并結(jié)合智能PID控制算法實現(xiàn)閉環(huán)自動控制。

2.1 PLC系統(tǒng)組成

PLC作為主控制單元，主要實現(xiàn)擠出機(jī)的電機(jī)驅(qū)動控制、料斗下料控制、料筒加熱控制以及冷卻裝置控制，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖2。

控制單元選用的FP-XC60R型PLC采用交流電，電壓為100～240 V，擁有32點24 V DC輸入，繼電器輸出電流為28點2 A，程序容量為32 kB，并配備了USB通信端口。該款PLC通過在插槽中安裝一個通信模塊，利用RS-485串口與觸摸屏實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，并預(yù)留一個RS-485接口作為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。PLC配置了4軸的脈沖輸出功能，并內(nèi)置于控制單元本體中，通過該脈沖輸出功能實現(xiàn)螺桿擠出機(jī)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置控制。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of control system

模擬量采集模塊選用AD8型，該模塊主要負(fù)責(zé)螺桿擠出機(jī)溫度數(shù)據(jù)采集，能夠?qū)崿F(xiàn)8路模擬量數(shù)據(jù)采集。內(nèi)部配備了平均濾波算法，從采集值中刪除最大值和最小值，并計算8次轉(zhuǎn)換值的平均值，從而保證了模擬量采集的精確性。

通過PLC自帶的輸入和輸出端子實現(xiàn)對料斗的開關(guān)、冷卻裝置以及伺服驅(qū)動器的控制。溫度采集傳感器將溫度數(shù)據(jù)傳送到AD8型模塊中，通過智能PID控制算法實現(xiàn)擠出機(jī)溫度的閉環(huán)自動控制。PLC脈沖輸出端口實現(xiàn)對擠出機(jī)電機(jī)的控制。

2.2 伺服驅(qū)動系統(tǒng)

螺桿擠出機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)選用松下公司的A5系列伺服電機(jī)，控制原理見圖3。通過PLC脈沖輸出端口發(fā)出脈沖頻率和脈沖數(shù)量實現(xiàn)伺服電機(jī)的速度和位置精確控制。同時，編碼器反饋的信息傳送到CPU進(jìn)行判斷分析，從而形成閉環(huán)控制。

3 螺桿擠出機(jī)軟件設(shè)計

螺桿擠出機(jī)軟件采用模塊設(shè)計，以方便程序可讀性和可修改性。系統(tǒng)運行前，首先啟動潤滑泵，潤滑完成后，通過觸摸屏將溫度目標(biāo)值、伺服電機(jī)運行參數(shù)、自動/手動參數(shù)傳送到PLC中，為系統(tǒng)運行做準(zhǔn)備。當(dāng)螺桿擠出機(jī)電源接通后，PLC通過初始輸出控制加熱器對料筒進(jìn)行預(yù)熱，伺服電機(jī)和輔助下料電機(jī)在預(yù)熱期間均處于停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)料筒加熱溫度達(dá)到目標(biāo)值且料斗測料傳感器檢測到信號后，啟動伺服電機(jī)以及輔助下料電機(jī)。螺桿擠出機(jī)控制系統(tǒng)軟件流程示意見圖4。

采用PID控制方法實現(xiàn)螺桿擠出機(jī)溫度的精確控制。通過溫度傳感器實時采集料筒溫度，并將此溫度與設(shè)定的螺桿擠出機(jī)目標(biāo)溫度進(jìn)行對比，由此對比結(jié)果對PID輸出值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖3 伺服驅(qū)動系統(tǒng)Fig.3 Servo driving system

圖4 螺桿擠出機(jī)控制系統(tǒng)軟件流程Fig.4 Process of control system software in screw extruder

對于PID控制器，以螺桿擠出機(jī)溫度設(shè)定值r（k）與溫度實際采集值y（k）的偏差e（k）作為輸入，見式（1）。

其輸出u（k）可表示為式（2）。

式中：Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)。

常規(guī)增量式數(shù)字PID控制算法可描述為式（3）。

式中：Δu（k）為PID控制器輸出增量。

4 實驗驗證

選擇東莞市寶輪精密檢測儀器有限公司的BL-6177-B型螺桿擠出機(jī)為實驗平臺，采用PID控制方法，設(shè)定溫度為260 ℃，實時監(jiān)控螺桿擠出機(jī)料筒溫度并記錄。從表1看出：采用該控制系統(tǒng)能夠?qū)⒙輻U擠出機(jī)溫度誤差控制在±0.4 ℃以內(nèi)，該溫度完全能夠滿足螺桿擠出工藝要求。在實驗過程中，該控制系統(tǒng)能夠保障螺桿擠出機(jī)持續(xù)穩(wěn)定運行，說明該控制系統(tǒng)擁有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

表1 實驗結(jié)果Tab.1 Experimental results

5 結(jié)論

a）設(shè)計了一款抗干擾能力強(qiáng)、可編程性強(qiáng)的基于PLC的螺桿擠出機(jī)控制系統(tǒng)。

b）通過PLC實現(xiàn)螺桿擠出機(jī)的數(shù)字量輸入輸出控制、模擬量數(shù)據(jù)采集、伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置控制等。

c）在硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用模塊化思想對控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行了設(shè)計，并結(jié)合PID控制算法實現(xiàn)對螺桿擠出機(jī)溫度的精確閉環(huán)控制。

d）該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)螺桿擠出機(jī)持續(xù)穩(wěn)定可靠運行，并將料筒溫度誤差控制在±0.4 ℃以內(nèi)。