蔡蓓蓓

（江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院 江蘇省南通市 226000）

塑料具有較強(qiáng)的抗氧化、耐腐蝕性能，并且美觀，質(zhì)量較小，因而得到了化工、醫(yī)療、包裝等行業(yè)的青睞[1]。注塑成型作為此類型材料的重要加工工藝，其參數(shù)控制成為了重點研究內(nèi)容。由于注射機(jī)料筒溫度控制對這些此項工藝參數(shù)影響較大，所以如何控制料筒溫度是提升塑料加工的關(guān)鍵[2]。以往采用人工操控進(jìn)行控制，參數(shù)設(shè)置過程比較繁瑣，控制效率較低[3]。為了改善料筒溫度控制現(xiàn)狀，本文選擇PLC 作為核心控制器，提出料筒溫度控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真研究。

1 注射機(jī)作業(yè)原理及控制

1.1 注射機(jī)結(jié)構(gòu)

注射機(jī)的注塑系統(tǒng)主要由螺桿、料斗、油缸、料筒、噴嘴、模具、多區(qū)域加熱器組成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

作業(yè)期間，向料筒中放入塑料顆粒，而后進(jìn)入料筒，此時加熱器開始作業(yè)，料筒內(nèi)溫度升高，塑料顆粒逐漸熔化[4]。在螺桿推理作用下，此部分塑料將流入噴嘴，最后達(dá)到磨具型腔?？刂魄粌?nèi)溫度和壓力保持不變，靜止一段時間后，降低腔內(nèi)溫度，待塑料冷卻成型后取出，得到塑料產(chǎn)品[5]。其中，料筒內(nèi)部溫度升高，采用的方法為熱量傳遞法，在料筒外部布設(shè)加熱線圈，開啟線圈加熱作業(yè)模式后，線圈溫度升高，此部分溫度通過料筒外部具有熱傳導(dǎo)性能的材料傳遞熱量，從而實現(xiàn)筒內(nèi)加熱操控[6]。由此看來，料筒內(nèi)溫度控制，在很大程度上取決于料筒結(jié)構(gòu)。另外，螺桿作為加工材料推動主要裝置，其在推動過程中產(chǎn)生的摩擦?xí)D(zhuǎn)化為熱量，所以此項操作也會影響到料筒內(nèi)溫度。當(dāng)螺桿的轉(zhuǎn)速升高時，推動期間產(chǎn)生的熱量就會更高[7]。

從注射機(jī)結(jié)構(gòu)及作業(yè)原理來看，料筒內(nèi)部溫度控制系統(tǒng)存在滯后性、時變性、非線性，其主要被控量為料筒溫度。假如設(shè)備作業(yè)期間料筒溫度過低，那么塑料顆粒的流動性就會下降，塑化結(jié)構(gòu)未能達(dá)到均勻標(biāo)準(zhǔn)[8]。在此情況下，螺桿推送塑料顆粒就需要增加剪切力，此操作方法會造成設(shè)備磨損。假如設(shè)備作業(yè)期間料筒溫度過高，部分顆粒在料筒中出現(xiàn)分解情況。在此情況下，組織疏松，出現(xiàn)大量起泡，部分結(jié)構(gòu)甚至產(chǎn)生炭化現(xiàn)象，對產(chǎn)品質(zhì)量影響較大[9]。

1.2 注塑工藝流程

依據(jù)注射機(jī)結(jié)構(gòu)及作業(yè)原理，對注塑工藝流程進(jìn)行詳細(xì)探究，從而明確溫度控制要點。作業(yè)期間，將塑料顆粒放進(jìn)料口中，而后流入料筒中[10]。在料筒外側(cè)布設(shè)一些電阻絲，通過加熱這些電阻絲，來提高料筒內(nèi)溫度，此時塑料顆粒開始熔化，當(dāng)其達(dá)到熔融狀態(tài)以后，采取合模處理，利用螺桿推送，使得合模后的塑料向射臺前進(jìn)。其中，推送距離的控制，根據(jù)測量系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算確定。另外，根據(jù)距離計算結(jié)果，可以推算熔融塑料體積，當(dāng)該數(shù)值達(dá)到上限后，立即停止螺桿推送。當(dāng)熔融塑料通過射臺前進(jìn)達(dá)到液壓系統(tǒng)操控位置時，液壓系統(tǒng)會接收到此信號，根據(jù)設(shè)定的作業(yè)壓力和速度參數(shù)，完成注射操作，使其注射到模具內(nèi)腔中。其中，注塑模型的選取根據(jù)塑料形狀加工需求設(shè)定。內(nèi)腔中需要保證壓力和溫度不變，當(dāng)前達(dá)到設(shè)定的靜止時間后，采取冷卻處理的同時，將其塑化。當(dāng)腔內(nèi)溫度達(dá)到冷卻溫度標(biāo)準(zhǔn)后，觀察塑化操作是否完成，如果兩項操作均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，則開模，將加工完畢的塑料產(chǎn)品通過射臺后退，從產(chǎn)品輸出口將制品頂出。如圖2 所示為注塑工藝流程圖。

圖1：注射機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2：注塑工藝流程圖

1.3 基于PLC的注射機(jī)料筒溫度控制

控制系統(tǒng)作為注射機(jī)料筒作業(yè)核心控制工具，主要利用PLC編寫程序控制命令，根據(jù)注塑工藝中對料筒溫度控制需求，設(shè)置各項參數(shù)。同時，根據(jù)實際作業(yè)情況，對參數(shù)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，從而保證料筒作業(yè)得以協(xié)調(diào)。關(guān)于操作控制，通過采集壓力、溫度等數(shù)據(jù)，下達(dá)控制命令，以閉環(huán)控制方式，實現(xiàn)料筒作業(yè)溫度控制。料筒加熱過程中，當(dāng)溫度達(dá)到上限值后，開始冷卻，即下調(diào)溫度，完成一次操作后，需要再次采取升溫降溫的控制，所以閉環(huán)控制的設(shè)置，能夠滿足料筒作業(yè)溫度控制需求。

2 基于PLC的注射機(jī)料筒溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本文提出的注射機(jī)料筒溫度控制主要針對3 段溫度進(jìn)行控制，分別是塑化前段、塑化中斷、塑化后段，根據(jù)料筒內(nèi)實際溫度，調(diào)節(jié)加熱電阻工作狀態(tài)。其中，溫度數(shù)據(jù)的采集，利用熱電偶傳感器完成，將其安裝在滾筒內(nèi)部，通過采集其內(nèi)部溫度，掌握熔融后的塑料溫度，根據(jù)此數(shù)值經(jīng)過溫度變送器發(fā)送至PLC 核心控制器中，經(jīng)過計算，判定當(dāng)前溫度是否達(dá)到設(shè)定溫度范圍上限值，如果達(dá)到上限值，則下達(dá)穩(wěn)溫命令，反之，繼續(xù)加熱電阻，為滾筒內(nèi)塑料顆粒熔融創(chuàng)造溫度條件。如圖3 所示為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。

表1：仿真結(jié)果

圖3：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖3 中，選擇FX-3U 64MT 作為PLC 控制器的核心裝置，通過模擬信號的輸入和輸出，判斷當(dāng)前料筒內(nèi)溫度變化情況。其中，F(xiàn)X2N-4AD 代表模擬量采集模塊，對應(yīng)的輸出模塊為FX2N-4DA。系統(tǒng)中溫度數(shù)據(jù)的采集裝置為熱電偶傳感器，本研究選取的型號為K 型。

在核心控制器的作用下，下達(dá)繼電器、接觸器、驅(qū)動器等裝置作業(yè)命令，在這些裝置的驅(qū)動下，開啟伺服電機(jī)、加熱線圈、電磁閥、液壓泵電機(jī)作業(yè)狀態(tài)，從而實現(xiàn)注射機(jī)溫度和壓力控制。FX2N-4AD、FX2N-4DA、K 型熱電偶傳感器組成了信息采集模塊，利用FX2N-4AD 采集壓力和溫度數(shù)據(jù)，通過FX2N-4DA 輸出，發(fā)送至PLC 核心控制器中。經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，向其中輸入數(shù)字信號。為了便于操控，本系統(tǒng)還添加了觸摸屏，利用此裝置顯示注射機(jī)作業(yè)參數(shù)數(shù)據(jù)變化情況，根據(jù)顯示結(jié)果，對PLC 控制程序進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使得PLC 自動化控制更加精準(zhǔn)，以此提高注射機(jī)作業(yè)質(zhì)量。

2.2 注射機(jī)料筒溫度控制

2.2.1 控制算法

目前，工業(yè)中應(yīng)用比較多的控制算法為PID 控制算法，該算法不僅穩(wěn)定性較高，而且結(jié)構(gòu)簡單，比較容易理解，開發(fā)難度低，利用該算法計算變量數(shù)值，根據(jù)設(shè)定的條件，實現(xiàn)自動化控制。實際應(yīng)用中，采集各項參數(shù)實際數(shù)值，經(jīng)過計算獲取當(dāng)前采集數(shù)值與目標(biāo)數(shù)值之間的差值，將其代入PID 控制算法中，采取微分、積分、比例計算處理，得到相關(guān)參數(shù)數(shù)值，判斷工業(yè)設(shè)備作業(yè)狀態(tài)是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)差值計算結(jié)果，通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)數(shù)值，使其得以滿足自動化操控需求。當(dāng)采集到的實際數(shù)值與設(shè)定目標(biāo)值基本相同，則開啟穩(wěn)定控制等操控命令。

對于本研究提出的注射機(jī)料筒溫度控制來說，將采集到的參數(shù)數(shù)值代入PID 控制算法中，經(jīng)過比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)，計算料筒溫度，從而獲取實際料筒溫度。將此數(shù)值與目標(biāo)溫度進(jìn)行對比，得到溫度差值，如果溫度差值為0，則保持當(dāng)前溫度，反之，繼續(xù)提升料筒內(nèi)溫度，直至差值為0。如圖4 所示為料筒溫度控制算法閉環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖4 中，y(t)代表料筒實際溫度數(shù)值；r(t)代表料筒某段溫度設(shè)定值；e(t)代表實際溫度與設(shè)定溫度差值，計算方法e(t)=r(t)-y(t)；控制器輸出溫度數(shù)值為u(t)。

本系統(tǒng)利用PID 控制器，對料筒內(nèi)溫度進(jìn)行控制，輸出數(shù)值為u(t)，該數(shù)值的數(shù)學(xué)模型為：

公式（1）中，TD代表微分時間常數(shù)；T1代表積分時間常數(shù)；kp代表比例系數(shù)。

一般情況下，選擇離散作為模型處理手段，對公式（1）采取離散處理，得到離散模型如下：

公式（2）中，t 代表采樣序號；T 代表采樣周期；kd=kpTD；ki=kpTI。

2.2.2 控制程序

圖4：料筒溫度控制算法閉環(huán)結(jié)構(gòu)

圖5：核心控制器作業(yè)程序流程圖

關(guān)于PLC核心控制器作業(yè)程序的開發(fā)，根據(jù)料筒塑料熔融溫度、壓力、推送位移控制要求，設(shè)定料筒溫度控制相關(guān)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)實際差值計算結(jié)果，下達(dá)控制命令。本文以熔融溫度控制為例，開發(fā)控制程序。該程序的開發(fā)，利用傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，將該數(shù)值與設(shè)定溫度數(shù)值進(jìn)行對比，如果實際測量溫度低于設(shè)定溫度值，則下達(dá)料筒外電阻絲升溫控制命令，如果高于溫度數(shù)值，則冷卻降溫，再次判斷此溫度與設(shè)定溫度關(guān)系，如果與設(shè)定溫度數(shù)值相近，則保持此溫度一段時間。對于實際溫度偏低情況，經(jīng)過計算，確定電阻絲加熱參數(shù)數(shù)值，經(jīng)過微分、積分、比例一系列計算控制，生成實際控制溫度數(shù)值，再次與設(shè)定溫度數(shù)值進(jìn)行對比。如果實際溫度數(shù)值與設(shè)定溫度數(shù)值相近，則保持當(dāng)前加熱控制參數(shù)不變，使得塑料顆粒得以達(dá)到熔融狀態(tài)。反之，繼續(xù)按照上述步驟，繼續(xù)調(diào)整加熱相關(guān)參數(shù)數(shù)值。如圖5 所示為核心控制器作業(yè)程序流程圖。

圖5 中，作業(yè)程序沒有結(jié)束，而是根據(jù)料筒實際溫度和設(shè)定溫度關(guān)系，下達(dá)不同操控命令，使得塑料顆粒得以達(dá)到熔融狀態(tài)，與注射機(jī)作業(yè)原理相同，符合系統(tǒng)開發(fā)要求。

3 仿真實驗

為了檢驗本文提出的系統(tǒng)設(shè)計方案可靠性，本研究通過開展仿真實驗。本次實驗以料筒溫度指標(biāo)作為仿真測試對象，通過組織測試控制系統(tǒng)輸出的料筒實際溫度數(shù)值與設(shè)定溫度數(shù)值對比仿真實驗，對系統(tǒng)設(shè)計方案可靠性進(jìn)行判斷。以往設(shè)計的控制系統(tǒng)，溫度控制差值在0.8℃以上，如果本系統(tǒng)測試溫度差值在0.8℃以內(nèi)，則認(rèn)為本系統(tǒng)設(shè)計方案可靠。實驗中，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)溫度為200℃，開展10組料筒溫度控制實驗，利用熱電偶傳感器采集實際控制溫度數(shù)值，通過結(jié)果如表1 所示。

表1 中，10 組料筒內(nèi)溫度控制數(shù)值在200℃上下浮動，雖然每次測量結(jié)果均未達(dá)到200℃，但是與200℃數(shù)值相近，最小溫度差值絕對值為0.1℃，最大溫度差值絕對值為0.5℃，在誤差允許范圍之內(nèi)。因此，本系統(tǒng)能夠較為精準(zhǔn)地控制注射機(jī)料筒溫度控制，可以打造良好的塑料顆粒熔融環(huán)境，在溫度控制方面滿足自動化控制需求。

4 總結(jié)

本文圍繞注射機(jī)料筒溫度控制系統(tǒng)開發(fā)方法展開探究，選取PLC 作為核心控制器，構(gòu)建系統(tǒng)硬件框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)料筒溫度控制需求，設(shè)計系統(tǒng)作業(yè)算法及控制程序。其中，系統(tǒng)控制命令的下達(dá)，依據(jù)熱電偶傳感器采集到的數(shù)據(jù)，計算當(dāng)前料筒內(nèi)溫度差值，采取閉環(huán)溫度控制。仿真測試結(jié)果顯示，本系統(tǒng)應(yīng)用下，料筒溫度控制差值最大值為0.5℃，在誤差允許范圍之內(nèi)。因此，本系統(tǒng)可以用于注射機(jī)料筒溫度控制。