许志胜
( 大连三垒科技有限公司， 辽宁 大连 116024 )
摘要：本文主要针对挤出机的温度控制系统，通过可配置多路温度控制器，详细说明了多路温控器在挤出机温控系统的优势。并通过在 SJ-120×33/90×33 单螺杆共挤机组的应用，完整阐述了其温控的工艺原理，系统构成和控制要点。
关键词：温度控制器；挤出机；PID
0 引言
温控器的发展经历了自动化、信息化的历程，目前已经快速进入智能化的前进方向，产品形态也从采用单表控制、通用PLC编程实现温度控制、PLC+模块温控器到最新的可配置多回路温度控制器。挤出机的核心是温度控制，在挤出塑料的过程中，螺杆和塑料物料之间的相互摩擦会产生较大的热量（摩擦热），同时相邻加热区互相影响等因素，给温度恒定和精度带来了困难。可配置多回路温度控制器能够切实满足复杂温度控制系统的需求，在挤出机上的应用，具有绝对的优势。我们通过其在SJ-120×33/90×33单螺杆共挤机组的应用，完整阐述其温控的工艺原理，系统构成和控制要点。
1 SJ-120×33/90×33 单螺杆共挤机组温控特点和方案比较
1.1 挤出机的温控特点
SJ-120×33/90×33单螺杆共挤机组是最新的高速PP/PE/PVC双壁波纹管生产线的挤出设备，如图1所示，整套生产线包括挤出机、成型机、冷却水箱，切割机等。
图 1 高速 PP/PE/PVC 双壁波纹管生产线
（1）温度控制回路较多，挤出机SJ-120×33有18路温度控制回路，SJ-90×33有14路温度控制回路。正常工作时挤出机的温度很高，一般都在180℃以上，预热时间一般都在4h左右。当温度稳定后，挤出机进行生产，生产时要求的温度精度通常为±1℃。
（2）加热回路分机筒和模具两个部分，机筒冷却方式是风机冷却，模具是自然冷却；同时加热过程中， 中间回路温度发生变化时，会影响相邻通道的温度，回造成实际温度的波动，因此温控器PID算法一定要精准，同时要有双 PID加热冷却控制和单PID加热控制。
1.2温控系统可选方案的比较
通过引言里介绍，目前挤出机在温控的方式上，一般有4种方式。通过表1，我们能够看到，在控制回路数目多，工业协议信息化，有智能化自诊断要求的应用场景中，在成本、组态、维护、控制精度等综合指标上，可配置多路温控器有绝对的优势。
表 1 四种方式的比较
2 挤出机控制系统构成和温控器特点
2.1系统构成
此套挤出机系统可分为2个独立的挤出机设备分别进行控制，2个PLC和触摸屏通过 Ethernet/IP总线通讯，PLC和多回路温控器通过RS-485通讯。本系统选择方案配置为：欧姆龙CP1H-E×2+NB10W+若干多路温控器。见图2。
图 2 系统结构网络图
2.2可编程多路温控器的特点
本系统使用国产可配置多路控制器，图3为其中一款的接线图。目前，多路温度控制器是基于智能化、信息化、高集成度、高可用性的需求，设计推出了很多全新的产品，可以在复杂的温度控制领域，尤其在挤出机上能够有效降低客户的组态、安装、维护等产品的周期成本；可以为客户提供快速的安装、安全可靠的启动。最少的停机时间，最大限度提高了产品性能和生产效率。一般温控器支持以下特性和功能特点：
图 3 多路温控器接线图
（1）支持多种工业总线协议及以太网工业协议，如EtherNET/IP、EtheCAT、ModbusTCP、ModbusRTU、CANopen、Profinet等；
（2）智能自诊断，错误的显示，上报信息，诊断及信息服务；
（3）PID精确的算法，具有高精度、无超调、节能特性；
（4）支持双PID加热冷却控制和单PID加热控制；
（5）可自整定，支持多回路控制分组；
（6）受控制的启动过程；
（7）传感器故障输出功能及自动恢复控制；
（8）自动/手动切换；
（9）在线校验，测量值修正。
3 挤出机系统性能指标和温控关键点
3.1挤出机性能指标
挤出机的性能指标主要有以下2个：
（1）熔体压力：根据原料的不同，PP/PE/PVC要求的熔体压力也不一样，一般范围在15~35MPa，精度要求±1MPa. 压力过高会降低生产效率，增加能耗比，而且会造成模具漏料，设备损坏；压力过小则制品不利于成型，浪费原材料。压力的高低和原料及机筒螺杆有关，同时和温度也有很大关系，温度对压力是可控的。
（2）熔体温度：熔体温度一般不超过230℃， 超过此极限，材料的热降解严重，影响管材的质量；温度过低，物料塑化不好，成型产品表面粗糙。熔体温度的控制精度要求±5℃。这就要求温控精确，越精确管材质量越好。
3.2温度控制关键点及难点
挤出机控制的关键点在于主机速度的稳定及熔体温度的精确。这里主要阐述熔体的温度控制。熔体温度的控制精度，主要在三个方面：一方面取决于温度采集的精度，即PID反馈信号的精度，本例挤出机所采用的多回路温控器为PID加自适应模糊逻辑Ziegler Nichols算法，具有高精度，特征分辨率在0.1℃；另一方面取决于执行器的响应时间，响应越快，精度越高，本例多路温控器为20ms采样周期，速度为毫秒级；第三个最重要的因素是闭环控制的PID参数是否合适。合适的PID能够保证超调小，进入稳态速度快，偏差小；前2个因素为客观因素，第3个因素为主观因素，由调试者设定PID参数，这也是挤出机控制的难点，本例温度控制器支持2种PID自整定方案，支持多回路控制分组和耦合关系的设定，整定出合适的PID参数操作简单。
挤出机的难点在于相邻加热区互相影响温度，机筒螺杆剪切热对温区影响及冷却风机对温区的影响。
挤出机温度控制区的温度反馈，一般采用的是2线制K型或J型的热电偶进行测量。见图4。
图 4 挤出机的风机及热电偶
挤出机温控分为3个区：机筒区、法兰区和模具区。熔体温度控制依靠固态继电器的导通控制电阻丝加热来提高温度。固态继电器作为执行器，较之普通接触器可靠性更高，且无触点、寿命长、速度快。尤其是可以快速通断的特点，十分适合于PID控制的PWM输出。
而本文挤出机的固态继电器导通是由多路温控器的温度PID输出控制的。同时机筒熔体温度还受外部冷却风机的影响，机筒区冷却一般采用交流接触器控制3相交流250W风机直吹机筒来实现。作为执行器，交流接触器响应速度慢，触点接通线圈，不宜于快速频繁启动，在冷却PID参数设置要更加合理。
4 挤出机PID温度控制系统解决方案及编程
4.1欧姆龙CP1H-E和温控器通讯
CP1H-E通过欧姆龙CP1W-CIF12选件板和多回路温控器建立RS-485通讯接口。主站为CP1H-E，从站为温控器，一个RS-485网络可以连接32个从站设备，传送距离为50m。硬件连接为屏蔽双绞线连接电缆，同时软件需要正确通信设置，保持主站和从站通讯一致。主站CP1HE软件设置，如图5。从站温控器可以用自带面板设置。
图 5 CP1H-E 通信设置
4.2PID 自整定
见图6，多路温控器的自整定和温控表类似，可根据不同的现场环境，进行自整定。通电，启动自整定，通过几次的温升温降后，会整定出合适的PID参数，从而取得高精度的温度控制效果。根据选择需要，机筒区加热选择双PID加热冷却控制，模具区选择单PID加热控制。同时加热选择脉宽调制加热输出值，即通过PWM来控制固态继电器的通断，从而实现温度调节。冷却PID选择开关模式，减少频繁启动，适合接触器启停。
图 6 PID 自整定设置
在温控器面板可以设置过程值的上下限，分别设为300℃和-20℃，同时可设置其它需要的智能诊断和报警，如加热电流监控，控制回路报警，断偶报警等。以上温控器的参数，包括各加热区温度的设置值和反馈值，通过CP1H-E的读写，直接反映在触摸屏上。
4.3 软件编程
根据基本通讯协议，采用ModbusRTU协议，从模式通讯连接RS-485。欧姆龙CP1H-E通过软件编程读写温控器的参数。
(1)写指令如图7。
图7 写数据程序块
指令表述为通过节点1，写入数据，标准的欧姆龙CP1H-E的功能码#10，地址为0040，串口1，通过A641.00端口1开始执行， 这是标准欧姆龙串口程序。通过 Ethernet/IP总线通讯，CP1H-E和NB触摸屏变量连接，可以在触摸屏上设置温度、温度最大值和最小值等参数。
(2)读命令如图8。
图 8 读数据程序块
指令表述为通过节点1，读取数据，标准的欧姆龙CP1H-E的功能码#3，地址为0040，串口1，通过A641.00端口1开始执行。同理可以在触摸屏上读取温度、状态和报警。
4.4 运行效果
这套挤出机采用欧姆龙CP1H-E×2+NB10W+若干多路温控器的控制方案，已经推出2年，在高速生产线上运行效果良好，对挤出机的各区温度控制精度很高，基本误差在±0.5℃，目前该方案已经成为三垒公司的标准配置。
5 结论
可配置多路温控器特别适用挤出机温控系统，从目前的挤出机4种方案来说，它具有非常大的优势。希望这种产品的研发越多越好，推动装备制造业自动化、信息化、智能化，满足客户在成本、性能与效率的持续需求。
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