劉奎魯，崔敏，楊鐵牛，全鑫

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基于Labview的單螺桿擠出機(jī)溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉奎魯，崔敏，楊鐵牛，全鑫

（五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

針對(duì)單螺桿擠出機(jī)擠出PP材料穩(wěn)定性差及擠出質(zhì)量欠佳的問題，一是對(duì)螺桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，由此能夠沿螺桿軸向長(zhǎng)度方向布設(shè)6個(gè)溫度傳感器并能夠可靠地進(jìn)行測(cè)溫工作，加上原本料筒處測(cè)量溫度的9個(gè)點(diǎn)，從而可以有效監(jiān)控?cái)D出機(jī)不同位段機(jī)筒內(nèi)壁與螺槽壁的溫度分布狀況；二是設(shè)計(jì)了一套基于Labview的溫度測(cè)控程序，分析了擠出溫度和壓力對(duì)擠出材料的影響，通過Z-TIO溫控模塊內(nèi)的PID控制料筒的加熱或冷卻使溫度趨于設(shè)定值. 研究結(jié)果表明，本文方案能夠精確測(cè)定、描述和調(diào)控?cái)D出熔體各區(qū)段的溫度，拓展了單螺桿擠出機(jī)的溫控范圍，提高了熔體溫度測(cè)控的精確性且操作方便.

單螺桿擠出機(jī)；Labview程序；溫度測(cè)控；SRZ溫控模塊；PP材料

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界80%以上的塑料是用擠出法生產(chǎn)的，其中單螺桿擠出機(jī)的使用占相當(dāng)大的比例（在我國(guó)為80%～85%）[1]. 物料從單螺桿擠出機(jī)中擠出要經(jīng)過進(jìn)料段、壓縮段、均化段等結(jié)構(gòu)段，歷經(jīng)固態(tài)、固態(tài)熔融共存態(tài)和完全熔融態(tài)，其制品的好壞與溫度控制的精確性有很大關(guān)系. 由于物料在每段所需要的溫度均不相同且需準(zhǔn)確控制，加之?dāng)D出過程剪切熱、摩擦熱導(dǎo)致的升溫，使得PP等材料的擠出存在穩(wěn)定性差、擠出質(zhì)量欠佳的問題；隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，一些新材料對(duì)成型工藝和混煉效果也提出了更高的要求. 因此，設(shè)計(jì)控制精確、性能穩(wěn)定、易于操作的單螺桿擠出機(jī)溫控系統(tǒng)勢(shì)在必行[2-4]. 目前，國(guó)內(nèi)擠出機(jī)產(chǎn)品大多采用在料筒上打孔放置溫度傳感器，通過溫控表進(jìn)行溫度的測(cè)量和控制，但這只是對(duì)料筒內(nèi)壁的熔體進(jìn)行溫度測(cè)量及控制，不能精確地反映螺槽與料筒內(nèi)壁之間的溫度變化趨勢(shì)，且溫控表的控溫精度僅為，不能滿足生產(chǎn)要求. 本文通過改變螺桿的結(jié)構(gòu)，在螺桿上打孔放置溫度傳感器，借助Labview程序和Z-TIO溫控模塊自帶的PID算法進(jìn)行溫度的測(cè)量和精準(zhǔn)控制.

1 螺桿結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

單螺桿擠出機(jī)按功能大體分為3段，其中，送料段又為遲滯區(qū)，是螺桿的初始段，物料由常溫被加熱到熔融狀態(tài)附近，除了靠近機(jī)筒內(nèi)壁的物料，其他地方的物料仍以固態(tài)存在；在壓縮段，物料進(jìn)一步塑化，最終完全變?yōu)槿廴跔顟B(tài)；計(jì)量段又為均化段，是螺桿的最后一段，溫度和壓力趨于平穩(wěn)狀態(tài)，物料以熔融狀態(tài)進(jìn)入模頭擠出.

本文借助AutoCAD和Pro-E繪圖軟件在原有螺桿結(jié)構(gòu)的二維圖上繪制出了改進(jìn)螺桿結(jié)構(gòu)的三維剖面圖，如圖1所示. 沿螺桿軸向鉆了的通孔，然后沿縱向在螺槽上鉆6個(gè)階梯螺紋孔來放置溫度傳感器，這樣在擠出物料的過程中，利用Labview測(cè)試軟件可以得出沿機(jī)筒內(nèi)壁和螺槽壁上各測(cè)點(diǎn)的溫度曲線，由此分析沿軸向的溫度變化趨勢(shì)，再借助數(shù)值模擬技術(shù)可以得出三維溫度場(chǎng)分布. 有限元ANSYS Workbench軟件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析表明，改進(jìn)后的螺桿結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是滿足使用要求的.

1. Φ20 mm的通孔；2～7. K型熱電偶溫度傳感器安裝簡(jiǎn)化孔

圖1 改進(jìn)的螺桿結(jié)構(gòu)剖面圖（mm）

2 單螺桿擠出機(jī)溫控系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

用Labview設(shè)計(jì)溫控程序的系統(tǒng)框圖如圖2所示，它是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng). 在Labview的前面板寫入每個(gè)區(qū)的經(jīng)驗(yàn)溫度數(shù)值，將K型熱電偶溫度傳感器測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑-Tio溫度模塊中，借助Modbus的通訊協(xié)議[5]實(shí)現(xiàn)Z-Tio溫度模塊與上位機(jī)Labview程序的串行通訊，使得各點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)在Labview前面板以曲線和實(shí)時(shí)數(shù)值表現(xiàn)出來，并與輸入的溫度經(jīng)驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行比較得到差值，用溫度模塊自帶的PID算法調(diào)控該差值并得出控制量，通過溫度模塊的輸出端子來控制固態(tài)繼電器，進(jìn)而控制擠出機(jī)料筒上鑄鐵加熱器或風(fēng)機(jī)電源的通斷來進(jìn)行加熱或冷卻，從而達(dá)到控制溫度的目的.

圖2 溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

擠出機(jī)擠出溫控硬件設(shè)備如圖3所示，包括Z-TIO溫控模塊、外加的電源、K型熱電偶溫度傳感器、R485轉(zhuǎn)R232轉(zhuǎn)換器以及R232轉(zhuǎn)USB接口的通訊線. 硬件部分的上位機(jī)選用的是可攜帶的筆記本電腦，其接口是USB接口，而Modbus 通訊協(xié)議傳輸?shù)慕涌谑蔷裴樀腞485接口，因此選用了R485轉(zhuǎn)R232接口連接筆記本電腦來進(jìn)行通訊. 由于Z-TIO溫度模塊需要外加電源，本文選用外加電源為溫度模塊供電. 每個(gè)Z-TIO溫度模塊可接收4點(diǎn)的溫度信號(hào)，并可以通過溫度模塊自帶的PID自動(dòng)算法輸出4點(diǎn)溫度的控制量. 由于料筒和螺桿上均打孔放置了溫度傳感器，因此本文設(shè)置了15點(diǎn)的溫度采集程序. “數(shù)據(jù)顯示”用于顯示各點(diǎn)實(shí)時(shí)的溫度值，“實(shí)時(shí)曲線”用于顯示各點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)曲線. 設(shè)定的每點(diǎn)溫度數(shù)值是其經(jīng)驗(yàn)值，經(jīng)過溫控模塊的PID算法以及加熱或冷卻的方法將實(shí)時(shí)溫度調(diào)控至趨于設(shè)定的溫度.

1.R485轉(zhuǎn)R232轉(zhuǎn)換器 2.24 V外加電源 3.Z-TIO溫控模塊

圖3 硬件設(shè)備

3 基于Labview的溫控程序設(shè)計(jì)

由圖3可知，本文的溫控系統(tǒng)利用Modbus通訊協(xié)議通過R485通訊線和R485轉(zhuǎn)R232轉(zhuǎn)換器將溫控模塊和上位機(jī)連接，并將溫度傳感器測(cè)得的溫度在Labview程序中顯示、存儲(chǔ). 基于Labview的溫控程序如圖4所示.

圖4 溫度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1 串行通信模塊

由于溫控模塊通過Modbus通訊協(xié)議和上位機(jī)的Labview軟件進(jìn)行通信，因此可將Modbus的初始協(xié)議做成一個(gè)子程序引入到溫控程序中，以此節(jié)省后面板的頁(yè)面空間. Modbus串口初始化的子程序如圖5所示，包括選擇的串行口、串行通信的波特率、數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度、停止位長(zhǎng)度以及校驗(yàn)方式.

a.前面板????????????????b.程序框圖

圖5 Modbus串行初始化的程序設(shè)計(jì)

Modbus采用兩種傳輸方式：ASCII和RTU[6]. 由于同樣波特率的情況下，RTU能比ASCII傳輸更多的數(shù)據(jù)，故本文采用RTU傳輸方式. RTU傳輸面板及程序如圖6所示，包括傳輸方式的選擇、讀取寄存器的初始地址、讀取寄存器地址的數(shù)量. 每塊溫控模塊只能寄存4個(gè)模擬通道的數(shù)據(jù)，因此需要4個(gè)溫控模塊. 本文將RTU傳輸方式的程序設(shè)置成子程序以方便總程序的其他子程序調(diào)用.

a.前面板???????????????b.程序框圖

圖6 RTU傳輸方式的前面板及程序框圖

3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示及處理功能模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊是將溫度傳感器測(cè)得的溫度通過溫控模塊和上位機(jī)的通信將數(shù)據(jù)以曲線的方式在Labview中顯示，并顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及超溫后的報(bào)警功能. 相關(guān)程序如圖7所示.

3.3 歷史數(shù)據(jù)保存程序

已采集到的實(shí)時(shí)溫度曲線及數(shù)據(jù)需要相應(yīng)的保存程序?qū)?shù)據(jù)保存下來，相應(yīng)的程序如圖8所示. 程序采用存一次、每建立一個(gè)文檔的方式進(jìn)行存儲(chǔ).

圖7 溫度顯示及報(bào)警功能程序??????????圖8 數(shù)據(jù)的保存程序

3.4 寫入溫度數(shù)據(jù)模塊

借鑒PP塑料的熔融溫度經(jīng)驗(yàn)值，在程序中輸入合適的溫度數(shù)據(jù)并傳輸?shù)綔乜啬K，與溫度傳感器測(cè)得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)比較，經(jīng)過溫控模塊自帶的PID調(diào)控功能自動(dòng)計(jì)算出控制量，進(jìn)而促使溫控模塊驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器來控制鑄鐵線圈進(jìn)行加熱或控制風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻，最終使實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)趨于設(shè)定的溫度數(shù)值，相應(yīng)的寫入程序如圖9所示.

圖9 溫度的寫入程序

4 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

上位機(jī)Labview運(yùn)行的主界面包括三個(gè)部分：各點(diǎn)溫度傳感器測(cè)得的實(shí)時(shí)溫度曲線與數(shù)據(jù)的數(shù)值顯示、超溫時(shí)報(bào)警輸入的每點(diǎn)溫度數(shù)據(jù). 將Z-TIO溫度模塊和擠出機(jī)料筒上的K型熱電偶溫度傳感器與上位機(jī)Labview程序連接以后，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和控制的結(jié)果如圖10所示.

a.輸入的溫度數(shù)據(jù)值??????????b.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果

圖10 基礎(chǔ)的溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1）在螺桿上打孔放置溫度傳感器，通過對(duì)中間熔體的溫度檢測(cè)和擠出腔室溫度場(chǎng)的模擬仿真，與只是在料筒壁上打孔放置溫度傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行比較，得到了更貼合實(shí)際的熔體溫度變化趨勢(shì)，最終通過改變輸入的溫度數(shù)值達(dá)到提高擠出物料的產(chǎn)量和質(zhì)量的目的；2）用本文設(shè)計(jì)的基于Labview的溫控程序檢測(cè)擠出機(jī)擠出過程的溫度變化是可行的，并且程序易于操作，利用此程序還可進(jìn)行熔體溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量；3）通過與工廠廣泛采用的溫控表測(cè)控的數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比，采用本文測(cè)控方法控溫精度在以內(nèi)，比溫控表控溫更加精準(zhǔn).

5 結(jié)束語

針對(duì)塑料行業(yè)廣泛使用的單螺桿擠出機(jī)的溫控問題，本文在原有料筒安裝傳感器的基礎(chǔ)上，提出了在螺桿上打孔放置溫度傳感器的方法，并基于上位機(jī)的Labview虛擬儀器平臺(tái)和溫控模塊的通訊協(xié)議，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的溫度測(cè)控系統(tǒng)，測(cè)得了料筒內(nèi)壁和螺槽的實(shí)時(shí)溫度變化曲線；通過上位機(jī)Labview軟件和Z-TIO溫控模塊進(jìn)行Modbus串行通訊的方法，實(shí)現(xiàn)了熔體溫度的精確測(cè)控，并為下階段通過設(shè)置合理的溫度來提高擠出產(chǎn)量的研究與分析做好了數(shù)據(jù)上的準(zhǔn)備. 由于本設(shè)計(jì)只需要工人點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕及輸入溫度預(yù)期數(shù)值即可，因此操作方便、易于推廣.

參考文獻(xiàn)：

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[責(zé)任編輯：熊玉濤]

Design of a Temperature Measurement and Control System for the Screw Extruder Based on Labview

LIUKui-lu, CUIMin, YANGTie-niu, QUANXin

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

First, in light of the problems of poor stability and quality of the PP materials from the screw extruder, the structure of the screw was improved by placing six temperature sensors along the axial direction of the screw, which can measure temperatures in a reliable way. Together with the nine points originally installed on the charging barrel, they can effectively control the temperature distribution on the inner surface and the spiral groove wall of the different segments of the extruder. Secondly, a temperature control program was designed based on Labview to analyze the effects of extrusion temperature and pressure on the extrusion materials. Through the heating or cooling of the PID control cylinder in the Z-TIO temperature control module, the temperature approximates a set value. The research results show that this scheme can accurately measure, describe and control the temperature of each section of the melt extrusion, expand the temperature range of the single screw extruder, improve the accuracy of the melt temperature control and is easy to operate.

single screw extruder; Labview program; temperature measurement and control; SRZ temperature control module; PP material

1006-7302（2016）04-0046-06

TP273

A

2016-09-08

2015年中山市產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目（螺桿參數(shù)化建模及后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)）.

劉奎魯（1990—），男，山東聊城人，在讀碩士生，主要從事智能化檢測(cè)及自動(dòng)控制方面的研究；崔敏，副教授，碩士生導(dǎo)師，通信作者，主要從事制造過程質(zhì)量檢測(cè)與控制、材料成形與裝備設(shè)計(jì)方面的研究.