陳 芳，劉 佳，傲 起，曲冰潔，李研博

（鄂爾多斯職業(yè)學院，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市 017000）

塑料制品因具有成本低、物理化學性質(zhì)穩(wěn)定、絕緣性能好等優(yōu)點，廣泛應用在航空航天、醫(yī)療、藥品包裝、3D打印等高精端科技領域［1-4］，在國民經(jīng)濟中占有極其重要的地位。注塑機是將塑料顆粒加熱成熔融狀態(tài)，并注射到模具內(nèi)腔中加工成形狀不同的塑料制品，因此，注塑機又被稱為注射成型機。目前，大部分塑料制品均由注塑機加工生產(chǎn)，與吹塑成型機、塑料擠出機相比，注塑機的生產(chǎn)效率更高、生產(chǎn)周期更短?？删幊炭刂破鳎≒LC）是一種進行數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，主要應用于環(huán)境復雜的工業(yè)領域，如PLC被應用于各種生產(chǎn)機械以及自動控制領域［5-6］。基于PLC的注塑機控制系統(tǒng)采用多通道總線控制，該控制方式穩(wěn)定性高、可編程性強，且機器發(fā)生故障的概率極大降低，容錯性能也比較強。

本工作采用PLC完成注塑機復雜工藝的自動控制，通過PLC完成注塑機邏輯控制，并通過模擬量輸入模塊采集注塑機溫度傳送到PLC的中央處理器中，由中央處理器中的比例積分微分（PID）程序完成溫度的閉環(huán)自動控制。

1 注塑機結構與工藝流程

1.1 注塑機結構

注塑機主要由鎖模系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、注射系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成。加熱系統(tǒng)的主要功能是通過加熱電阻絲來升高注塑機料筒溫度，使塑料顆粒成為熔融狀態(tài)；注射系統(tǒng)以一定壓力和注射速度，將熔融狀態(tài)的塑料注射到模具內(nèi)腔中；鎖模系統(tǒng)主要作用是以一定壓力將模具鎖緊，以保證模具加工精度，經(jīng)過冷卻系統(tǒng)降溫處理后，將塑料從模具內(nèi)腔中頂出；液壓系統(tǒng)主要為注塑機各執(zhí)行機構提供動力以及緩沖保護，液壓系統(tǒng)主要包括油箱、液壓電機、比例閥等；控制系統(tǒng)主要包括下位機PLC和上位機觸摸屏，控制系統(tǒng)作為注塑機的大腦，通過觸摸屏人機畫面完成注塑機各種參數(shù)的設置，PLC負責注塑機各機構的協(xié)調(diào)運動，進行溫度、壓力等數(shù)據(jù)采集，并完成閉環(huán)控制。

1.2 注塑工藝流程

塑料顆粒從下料口進入到料筒中，由螺桿的旋轉(zhuǎn)運動帶動塑料顆粒不斷向前運動，料筒外部加熱電阻絲溫度不斷升高，熔融狀態(tài)的塑料在料筒前部不斷積累并將螺桿向后推送，經(jīng)過測量系統(tǒng)可以計算出螺桿向后推送的距離，并由此距離推算出料筒前段累積的熔融塑料體積是否達到設定值，達到目標值后，螺桿停止運動。液壓系統(tǒng)接收到信號后將熔融塑料以一定速度和壓力注射到模具內(nèi)腔中，模具合模后將熔融塑料注塑成所需形狀，冷卻系統(tǒng)將塑料制品冷卻后，模具打開，頂出機構將制品從模具內(nèi)腔中頂出。注塑工藝流程見圖1。

圖1 注塑工藝流程Fig.1 Injection molding process

2 基于PLC的注塑機溫度的PID控制

2.1 PLC控制系統(tǒng)硬件結構

注塑機溫度控制系統(tǒng)主要是對塑化部件的前段、中段以及后段溫度進行精確控制，通過熱電偶傳感器對熔融后的塑料溫度進行采集，并將采集到的溫度傳送到溫度變送器，由溫度變送器將4～20 mA模擬量信號傳送到PLC模擬量采集模塊中，PLC控制器根據(jù)PID計算結果，通過模擬量輸出模塊控制固態(tài)繼電器，從而使加熱器溫度達到設定溫度，注塑機控制系統(tǒng)硬件結構見圖2。其中，F(xiàn)X-3U 64MT為PLC的中央處理器模塊，F(xiàn)X2N-4AD為模擬量采集模塊，F(xiàn)X2N-4DA為模擬量輸出模塊，F(xiàn)X2N-4AD-TC為熱電偶模擬量采集模塊。

圖2 注塑機控制系統(tǒng)硬件結構示意Fig.2 Hardware structure of control system in injection molding machine

2.2 注塑機溫度的PID控制

PID控制算法在工業(yè)中被廣泛應用，PID控制具有結構簡單、穩(wěn)定性高、算法易實現(xiàn)等優(yōu)點。PID控制算法主要是采集系統(tǒng)實際量，計算實際量與系統(tǒng)所設定的目標值之差，通過PID控制算法中的比例、積分、微分三個參數(shù)，對系統(tǒng)輸出的數(shù)字量進行適當調(diào)整，進而使系統(tǒng)實際值穩(wěn)定在目標值附近。控制算法結構原理見圖3。

圖3 控制算法結構原理Fig.3 Structural principle of control algorithm

PID控制器輸出的數(shù)學模型見式（1）。

式中：kp為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。

PID控制算法中通常需要將式（1）進行離散，PID離散數(shù)學模型［7-9］見式（2）。

式中：ki= kp/TI，kd= kpTD；T為采樣周期；t為采樣序號。

3 實驗研究

為驗證基于PLC的注塑機多段溫度PID控制系統(tǒng)的有效性，進行了相關實驗研究。選擇某型號注塑機為實驗平臺，采用熱電偶傳感器采集溫度。實驗過程中，設定溫度為200.0 ℃，實時采集熱電偶傳感器傳送回來的溫度并記錄。從表1可以看出：溫度偏差可控制在±0.3 ℃以內(nèi)。這說明所述方法溫度控制效果比較理想，能夠明顯提高溫度控制精度，對于提升注塑機注塑工藝質(zhì)量具有重要作用。

4 結論

a）為了提高注塑機的自動化程度、注塑機料筒溫度控制精度，以及注塑制品質(zhì)量，設計了基于PLC和觸摸屏為控制器核心的注塑機PID溫度控制系統(tǒng)。

表1 實驗結果 Tab.1 Experimental results ℃

b）基于PLC的注塑機溫度PID控制系統(tǒng)能夠控制料筒溫度偏差在±0.3 ℃以內(nèi)，該控制系統(tǒng)完全能夠滿足注塑工藝要求。