一、概述

目前,國(guó)內(nèi)大多數(shù)經(jīng)濟(jì)型塑料擠出機(jī)的溫度控制系統(tǒng)普遍采用離散式儀表控制方案和PLC集中控制方案兩種。對(duì)于離散式儀表控制方案，固然具有價(jià)格低的上風(fēng)，但在控制功能上受到很多限制,主要體現(xiàn)在對(duì)各離散單元單獨(dú)進(jìn)行控制,整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)施綜合控制，多只溫控表的使用,一方面使溫控電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,故障率增加,另一方面由于溫控表多為斷續(xù)控溫方式，因此造成各加熱區(qū)溫度波動(dòng)較大,影響了塑料制品的加工質(zhì)量。

對(duì)于PLC集中控制方案，固然能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施綜合控制，但是要編寫(xiě)多回路的PID控溫算法實(shí)現(xiàn)難度大，占用CPU的資源多，一旦溫區(qū)超過(guò)8個(gè)則難以實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制。假如采用高級(jí)別的CPU構(gòu)建系統(tǒng)，則價(jià)格昂貴，性價(jià)比低。針對(duì)以上情況,我們采用了集智達(dá)智能溫度測(cè)控模塊RemoDAQ-7110（10回路PID溫度控制智能模塊）為控制核心構(gòu)建擠出機(jī)的溫度控制系統(tǒng)。該溫控系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)單、控溫精度高、性能穩(wěn)定，具有較高的實(shí)用價(jià)值。該系統(tǒng)也可以匹配多類型低級(jí)別的PLC，具有控溫精度高、硬件簡(jiǎn)單、價(jià)格低、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。

二、系統(tǒng)配置及功能介紹

傳統(tǒng)的控制方式有離散式儀表控制和PLC集中控制兩種，第一種方式不具備集中控制的意義，故不作分析。以西門(mén)子S7-300的PLC構(gòu)成16個(gè)溫區(qū)的集中控制系統(tǒng)硬件配置如圖1所示：

圖1.PLC集中控制溫度系統(tǒng)硬件配置

圖中SM331是八路熱電偶輸入模塊，SM322是16路開(kāi)關(guān)量的輸出模塊，CPU314是西門(mén)子的中檔CPU，它作為多回路PID的控制核心。由于考慮到每個(gè)溫區(qū)有可能存在加熱和冷卻的需要，所以系統(tǒng)配置兩個(gè)SM331，兩個(gè)SM322，構(gòu)成16路溫度輸入、32路開(kāi)關(guān)量輸出的控制系統(tǒng)（其他的開(kāi)關(guān)量輸入輸出忽略）。該系統(tǒng)的控制精度取決于CPU314的運(yùn)算速度和PID算法，假如采用STEP7的PID標(biāo)準(zhǔn)功能塊，則對(duì)于純滯后大慣性的控制對(duì)象，難以達(dá)到理想的效果；假如自己編寫(xiě)專用的PID控制算法則難度較大，而且調(diào)試難度很大。該系統(tǒng)還存在隨著溫區(qū)數(shù)目的增多（較多機(jī)型的溫區(qū)在30個(gè)左右）存在價(jià)格升高、控制精度下降、故障點(diǎn)多等缺點(diǎn)。
以集智達(dá)智能溫度測(cè)控模塊RemoDAQ-7110為核心構(gòu)建塑料擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)多溫區(qū)控制的理想方案。系統(tǒng)硬件配置圖如圖2所示：

 
圖2. 10回路PID溫控模塊的溫控系統(tǒng)硬件配置

圖中RemoDAQ-7110是北京集智達(dá)智能科技有限責(zé)任公司研發(fā)生產(chǎn)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的10回路PID溫度控制智能模塊，由于模塊每回路均帶有熱電偶溫度采集，加熱/冷卻開(kāi)關(guān)量輸出，因此只需要配置2個(gè)模塊。各模塊可獨(dú)立的控制對(duì)應(yīng)回路的溫度值，CPU只需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線就可以輕松的控制各回路的啟閉及獲取各回路當(dāng)前溫度、設(shè)定溫度值。因此系統(tǒng)硬件和軟件大大簡(jiǎn)化，系統(tǒng)的控制精度、可靠性、穩(wěn)定性大幅進(jìn)步。

該模塊內(nèi)置PID高精度閉環(huán)控制算法，具有自適應(yīng)閉環(huán)控制和人工遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制功能，并且該模塊具有斷電數(shù)據(jù)保存、傳感器斷線、短路檢測(cè)功能。模塊熱電偶輸入通道采用隔離電路提供高過(guò)壓保護(hù)；模塊內(nèi)置測(cè)溫元件，自動(dòng)完成熱電偶冷端溫度補(bǔ)償；采用高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換速度快，并能有效抑制擾動(dòng)。模塊供電電源輸入端具有直流濾波器功能，抗干擾能力強(qiáng)；同時(shí)電源電路將采用過(guò)壓保護(hù)，并適用于惡劣環(huán)境下運(yùn)行。輸出電路采用隔離PWM輸出，可外接固態(tài)繼電器和電磁繼電器。采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)通信接口RS-485，采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-RTU協(xié)議，通信口采用高速光耦隔離，ESD保護(hù)，保證通信速度和質(zhì)量。值得一提的是該控制模塊的PID算法是針對(duì)純滯后、大慣性對(duì)象而開(kāi)發(fā)的模糊自適應(yīng)PID控制算法，非常適合塑料螺桿擠出機(jī)、吸塑機(jī)、注塑機(jī)等的多溫區(qū)精確控制。

三、10回路PID溫度控制智能模塊的工作原理

10回路的PID溫度控制智能模塊可以看做是10個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，在一個(gè)采樣周期內(nèi), 溫度傳感器（熱電偶）將檢測(cè)到的料筒與機(jī)頭溫度信號(hào)PV，與設(shè)定值SV 進(jìn)行比較，得到偏差e = SV—PV。結(jié)合所給的P、I、D 參數(shù)和溫度控制策略進(jìn)行PID運(yùn)算得出控制輸出值，經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制，最后得到繼電器在一個(gè)采樣周期中的導(dǎo)通時(shí)間。通過(guò)控制繼電器在一個(gè)采樣周期中的導(dǎo)通時(shí)間即可控制加熱器的加熱時(shí)間，或者冷卻風(fēng)機(jī)的工作時(shí)間，從而達(dá)到精確控制溫度的目的。10個(gè)回路獨(dú)立工作，互不干擾，具有極高的穩(wěn)定性和可靠性。
四、10回路PID溫度控制智能模塊的基本功能
1. 模塊提供智能溫度控制軟件。該軟件提供了單路通道參數(shù)的獨(dú)立設(shè)定和獨(dú)立控制功能。溫度閉環(huán)控制分成自動(dòng)自適應(yīng)智能控制與手動(dòng)設(shè)置PID調(diào)節(jié)器功能，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置調(diào)節(jié)器參數(shù)，否則系統(tǒng)將按照默認(rèn)值進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。該軟件還提供單回路的溫度實(shí)時(shí)曲線檢測(cè)功能，可以手動(dòng)和自動(dòng)的來(lái)選擇所要觀測(cè)的溫度范圍。
2. 模塊軟件將提供前饋控制設(shè)置功能。在正常PID的控制基礎(chǔ)上要具有前饋功能，通過(guò)設(shè)定前饋量來(lái)實(shí)現(xiàn)與正常的PID輸出進(jìn)行疊加，作為最終的輸出控制量。前饋的作用有個(gè)時(shí)間延時(shí)啟動(dòng)信號(hào)，啟動(dòng)后并進(jìn)行計(jì)時(shí)，作用信號(hào)取消或計(jì)時(shí)時(shí)間到，前饋?zhàn)饔萌∠?，按正常的PID進(jìn)行控制。
3. 模塊提供10路閉環(huán)控制輸出功能，每路輸出均可進(jìn)行使能設(shè)置。同時(shí)，各通道輸出啟動(dòng)的瞬間是分時(shí)順序啟動(dòng)?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)輸出通道的時(shí)間設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)各通道之間的邏輯輸出。
4. 模塊對(duì)每路控制有特殊處理的功能。包括溫度補(bǔ)償功能、強(qiáng)制輸出關(guān)斷、時(shí)間延時(shí)、溫度上下限設(shè)定、閉環(huán)控制復(fù)位等功能。
5. 模塊提供相應(yīng)的通信接口功能，可接收上位機(jī)的配置及相應(yīng)的操作信號(hào)。還支持第三方軟件對(duì)模塊的數(shù)據(jù)讀取和設(shè)定。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種性價(jià)比很高的塑料擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)的解決方案，該方案不僅降低系統(tǒng)的配置本錢(qián)，而且大大進(jìn)步了系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性。非常適合各種多溫區(qū)控制的設(shè)備使用。從使用效果得出，在新的溫控系統(tǒng)控制下，擠出機(jī)工作平穩(wěn)，取得良好的控制效果，控溫速度快，溫度超調(diào)量小于3℃，靜態(tài)誤差小于±1℃。該控制器不僅應(yīng)用于塑料擠出機(jī)，還可以應(yīng)用于注塑機(jī)、吸塑機(jī)、吹瓶機(jī)等機(jī)械的溫度控制，具有廣闊的應(yīng)用遠(yuǎn)景