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        基于PLC的螺桿擠出機控制系統(tǒng)

        2020-10-29 11:52:38
        合成樹脂及塑料 2020年5期
        關(guān)鍵詞:擠出機模擬量伺服電機

        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)有擠出機控制系統(tǒng)大多采用單片機或工控機進(jìn)行邏輯控制和數(shù)據(jù)采集,控制系統(tǒng)穩(wěn)定性較低,不能保證擠出機的連續(xù)運行。擠出機控制系統(tǒng)主要由主控制器、人機交互系統(tǒng)、外圍儀表以及執(zhí)行機構(gòu)等組成,主要作用是通過主控制器完成邏輯控制、伺服電機驅(qū)動,輸出滿足工藝要求的電機轉(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,硬件配套齊全,功能完善,適用性強等特點[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控制系統(tǒng),通過PLC完成螺桿擠出機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 螺桿擠出機架構(gòu)

        螺桿擠出機主要由進(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。螺桿擠出機工作時,物料通過進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)入擠出機,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 螺桿擠出機結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of screw extruder

        2 螺桿擠出機硬件結(jié)構(gòu)

        為了實現(xiàn)螺桿擠出機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可編程性,采用松下公司的FP-XC60R型PLC作為螺桿擠出機的控制核心,并結(jié)合伺服驅(qū)動器實現(xiàn)擠出機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)擠出機的電機驅(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)螺桿擠出機伺服電機的轉(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)擠出機溫度的閉環(huán)自動控制。PLC脈沖輸出端口實現(xiàn)對擠出機電機的控制。

        2.2 伺服驅(qū)動系統(tǒng)

        螺桿擠出機驅(qū)動系統(tǒng)選用松下公司的A5系列伺服電機,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 螺桿擠出機軟件設(shè)計

        螺桿擠出機軟件采用模塊設(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,伺服電機和輔助下料電機在預(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,啟動伺服電機以及輔助下料電機。螺桿擠出機控制系統(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、可編程性強的基于PLC的螺桿擠出機控制系統(tǒng)。

        b)通過PLC實現(xiàn)螺桿擠出機的數(shù)字量輸入輸出控制、模擬量數(shù)據(jù)采集、伺服電機轉(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)。

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