引言
塑料擠出機(jī)是異型材擠出生產(chǎn)和鋁塑復(fù)合管生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備（如圖1所示）。根據(jù)物料的不同狀態(tài)，塑料擠出過程可分為3個(gè)階段：塑化階段、成型階段和定型階段。在擠出過程中，擠出溫度是最重要的控制條件之一。擠出溫度過低，擠出口出料不暢，會(huì)造成前端擠出機(jī)構(gòu)負(fù)載過大；擠出溫度過高，則可能改變物料特性，導(dǎo)致成品報(bào)廢?！ ?/p>
擠出機(jī)的PID溫度控制應(yīng)用方案
圖2所示為塑料擠出機(jī)的溫度控制應(yīng)用方案。擠出機(jī)的加熱裝置通常為電加熱，可分為電阻加熱和感應(yīng)加熱，加熱片一般被裝于機(jī)身、機(jī)脖及機(jī)頭等位置。通過外部加熱，使得機(jī)筒內(nèi)的塑料升溫到工藝操作所需要的溫度。
此外，擠出機(jī)還有冷卻裝置，以用于排除螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)因剪切摩擦而產(chǎn)生的多余熱量，從而避免溫度過高而導(dǎo)致塑料分解、燒焦或定型困難等問題，保證塑料處于工藝要求的溫度范圍。冷卻裝置分為水冷與風(fēng)冷兩種，一般中小型擠塑機(jī)采用風(fēng)冷方式，大型擠出機(jī)則多采用水冷或兩種形式結(jié)合的冷卻方式。而測(cè)量裝置是可進(jìn)行高溫精確測(cè)量的高溫熔體壓力傳感器。
通常，當(dāng)采用傳統(tǒng)的定點(diǎn)開關(guān)控制溫度，一般會(huì)出現(xiàn)幾度的正負(fù)誤差，從而使溫度控制器控溫產(chǎn)生一種慣性的溫度誤差，即當(dāng)被加熱器件溫度升高至設(shè)定溫度時(shí)，溫度控制器會(huì)發(fā)出信號(hào)停止加熱。但由于發(fā)熱棒或發(fā)熱圈的內(nèi)部溫度一般高于設(shè)定溫度，因而會(huì)繼續(xù)向被加熱的器件傳熱，使其溫度繼續(xù)上升幾度后才開始下降。
當(dāng)溫度下降到設(shè)定溫度的下限時(shí)，溫度控制器又發(fā)出加熱的信號(hào)，并開始加熱。但是，要使溫度從發(fā)熱絲傳遞到被加熱器件，一般需要一定的時(shí)間，時(shí)間長(zhǎng)短由它們之間的介質(zhì)決定。所以重新開始加熱時(shí)，被加熱器件的溫度會(huì)先繼續(xù)下降幾度。
圖2塑料擠出機(jī)的溫度控制應(yīng)用方案
當(dāng)采用PID（比例-積分-微分）控制設(shè)計(jì)的溫度控制器時(shí)，則可以消除上述慣性溫度誤差。PID控制是根據(jù)系統(tǒng)的誤差利用比例-積分-微分計(jì)算出控制量的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠和調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，問世60多年來已成為工業(yè)控制的可靠技術(shù)手段。
目前，采用PID控制設(shè)計(jì)的可應(yīng)用于塑料擠出機(jī)的溫度控制器主要有：德國PMA、英國WEST和CAL、日本RKC和OMRON等品牌的中高端溫度控制器，以及國內(nèi)一些品牌的相關(guān)控制器。
擠出機(jī)的溫度控制數(shù)字PID算法
為了求取PID控制過程中的比例參數(shù)P、積分參數(shù)D及微分參數(shù)I，在控制過程中通過給定加熱或制冷控制，根據(jù)溫度的變化，求取系統(tǒng)設(shè)定溫度時(shí)的PID控制過程參數(shù)。圖3所示為 PID控制原理。
圖3 PID控制原理
采用微處理器設(shè)計(jì)的溫度控制器，需要采用數(shù)字PID算法。溫度增量的PID基本控制公式為：
式中，KP為比例放大系數(shù)，TI為積分時(shí)間，TD為微分時(shí)間。
用矩形積分時(shí)，有
用差分代替微分
代入PID基本控制公式，得
同時(shí)，控制量當(dāng)前值和基值關(guān)系如下：
u(k)=u(t)+u0
可得第k個(gè)采樣時(shí)刻的控制：
為方便程序設(shè)計(jì)上式即為：
式中，u0為控制量的基值，即k=0時(shí)的控制；u（k）為第k個(gè)采樣時(shí)刻的控制； KP為比例放大系數(shù)；KI為積分放大系數(shù)；KD為微分放大系數(shù)；TS為采樣周期。上式是數(shù)字PID算法的非遞推形式，將系統(tǒng)偏差的全部過去值e（j）（j=1，2，3，……，k）都存儲(chǔ)起來，得出控制量的全量輸出u（k），是控制量的絕對(duì)數(shù)值。
擠出機(jī)塑化階段溫度控制分析
塑化階段是擠出成型的主要階段，不同品種、不同來源的塑料原料對(duì)塑化的溫度要求各不相同。為便于研究和控制擠出過程，按照塑料物態(tài)連續(xù)變化的特點(diǎn)，又將塑化階段分為加料段、熔融段和均壓段3個(gè)階段。這3段的溫度控制是影響擠出產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。在加料段，塑料被攪拌、破碎后軟化，但不發(fā)生物態(tài)的轉(zhuǎn)變，此時(shí)溫度不能太高。
在熔融段，經(jīng)初步攪拌、破碎和軟化的塑料，在螺桿的推擠及摩擦作用下，再加上機(jī)筒溫度較高，使其熱交換作用加大，表里達(dá)到熱平衡，逐漸由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)（可塑態(tài)）。在均壓段溫度達(dá)到最高，使經(jīng)過熔融段未能塑化的高分子在此段完成塑化，從而消除了“顆粒”，使塑化充分均勻。
圖4 傳統(tǒng)PID控制塑化階段溫度的控制曲線
在塑化階段，熱量除了來源于機(jī)筒外部的加熱裝置外，還有螺桿擠出塑料時(shí)生成的熱量，因此對(duì)主機(jī)溫度的控制應(yīng)從整體考慮，既要考慮加熱器加熱的開與關(guān)，又要考慮螺桿的擠出熱量外溢的因素，從而對(duì)其實(shí)施合理的冷卻。采用中心水冷或風(fēng)冷方式，可以使冷卻處的溫度在短時(shí)間內(nèi)得到下降。
但由于中心處的溫度較高，當(dāng)冷卻過程中熱交換較大時(shí)，特別是在采用中心水冷方式的條件下，循環(huán)水由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)將瞬間帶走較大的熱量，使得控制過程出現(xiàn)明顯的非線性效果，控制過程將變得非常不穩(wěn)定。
利用傳統(tǒng)PID控制原理設(shè)計(jì)的溫度控制器，對(duì)塑料擠出機(jī)塑化階段溫度控制的曲線如圖4所示。在借鑒傳統(tǒng)PID控制的基礎(chǔ)上，目前一些先進(jìn)的PID溫度控制器引進(jìn)了模糊規(guī)則的調(diào)用方式。其基本的控制原理是，計(jì)算機(jī)根據(jù)所設(shè)定的輸入和反饋信號(hào)，計(jì)算實(shí)際位置和理論位置的偏差以及當(dāng)前的偏差變化，并根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，最后對(duì)PID控制的比例、積分和微分系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，以達(dá)到較為理想的控制效果。
圖5 英國P8160數(shù)字溫度控制器在塑化階段的溫度控制曲線
針對(duì)塑料擠出機(jī)的P8160數(shù)字溫控器應(yīng)用特點(diǎn)
P8160數(shù)字溫度控制器是采用引進(jìn)模糊規(guī)則的PID控制設(shè)計(jì)而成的，它由英國WEST公司推出，是專門針對(duì)塑料擠出機(jī)的溫度控制器。該控制器安裝方便，操作簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，擁有專用于塑料擠出應(yīng)用的控制算法，可針對(duì)單加熱、加熱/風(fēng)冷、加熱/水冷采用不同的控制算法，通過缺省參數(shù)或簡(jiǎn)單的自整定即可快速獲得最佳的PID控制參數(shù)（無須手工PID調(diào)整），實(shí)現(xiàn)高精度的PID閉環(huán)控制。
采用引進(jìn)模糊規(guī)則的PID控制原理的溫度控制器，可以有效控制物料的冷卻，使整個(gè)主機(jī)溫度控制系統(tǒng)的波動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到塑料所需擠出溫度的要求，進(jìn)而增加物料固體輸送率，穩(wěn)定出膠量，提高產(chǎn)品質(zhì)量。圖5所示為P8160數(shù)字溫度控制器在塑化階段的溫度控制曲線。P8160溫度控制器如圖6所示。
圖6 P8160數(shù)字溫度控制器
另外，P8160數(shù)字溫度控制器采用0.1%級(jí)輸入精度，掃描周期250ms，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)控制功能。其獨(dú)特的“向?qū)?rdquo;功能可方便OEM調(diào)試工程師快速進(jìn)行儀表參數(shù)設(shè)置，按功能分類的參數(shù)菜單，調(diào)試工程師能快速進(jìn)行復(fù)雜的參數(shù)定義。
操作界面直觀清晰，無須手冊(cè)或培訓(xùn)即可操作，大大縮短了學(xué)習(xí)時(shí)間以及調(diào)試時(shí)間。該控制器支持手動(dòng)/自動(dòng)無擾動(dòng)切換、運(yùn)行/停止，這些功能以及自整定操作均可直接通過前面板按鍵快速實(shí)現(xiàn)。
同時(shí)，無須進(jìn)入?yún)?shù)菜單，即可自由定義最多8個(gè)參數(shù)的操作界面，方便操作員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)調(diào)整，并提供兩級(jí)出廠設(shè)置——儀表原廠出廠設(shè)置，以及OEM出廠設(shè)置，并且用戶可以方便地恢復(fù)原始參數(shù)設(shè)置，減少停機(jī)時(shí)間。此外，該控制器還擁有強(qiáng)大的診斷功能，除輸入短路或開路報(bào)警及控制回路報(bào)警外，還提供創(chuàng)新的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作壽命計(jì)數(shù)及報(bào)警，以及環(huán)境溫度超溫報(bào)警。
結(jié)論
采用PID控制設(shè)計(jì)的溫度控制器可以消除慣性溫度誤差，并且根據(jù)熱塑性塑料在塑化階段的變形特性及可能出現(xiàn)的溫度波動(dòng)特點(diǎn)，采用在傳統(tǒng)PID控制基礎(chǔ)上引進(jìn)模糊規(guī)則而設(shè)計(jì)的P8160數(shù)字溫度控制器，可以使得整個(gè)主機(jī)溫度控制系統(tǒng)的波動(dòng)穩(wěn)定度滿足塑化的要求。
