摘要: 本文介紹了采用一種多回路PID溫度控制智能模塊為控制核心構(gòu)建擠出機(jī)的溫度控制系統(tǒng)。該溫控系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)單、控溫精度高、性能穩(wěn)定，具有較高的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞: 溫度控制；現(xiàn)場(chǎng)總線；PID；可編程序控制器；脈寬調(diào)制
Intelligent multi-loop PID temperature control module in the application of plastic extruder
FOSHAN HOAKO Control Technology Co.,Ltd
Abstract：In this paper, using a multi-loop PID temperature control module for the control of intelligence to build the core extruder temperature control system. The temperature control system hardware is simple, high precision temperature control, stable performance, with high practical value.
Key words: Temperature control; Fieldbus; PID; PLC；PWM
一、前言
性能優(yōu)良的塑料制品生產(chǎn),不但要正確使用原料,加工設(shè)備及工藝參數(shù)的選用也非常關(guān)鍵。擠出機(jī)料筒及機(jī)頭各段溫度的精確控制對(duì)提高擠出機(jī)產(chǎn)量的穩(wěn)定性及保證性能有積極的意義。目前,國(guó)內(nèi)大多數(shù)經(jīng)濟(jì)型塑料擠出機(jī)的溫度控制系統(tǒng)普遍采用分離儀表控制方案和PLC集中控制方案兩種。對(duì)于分離儀表控制方案，雖然具有價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)，但在控制功能上受到很多限制,主要體現(xiàn)在對(duì)各分離單元單獨(dú)進(jìn)行控制,整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)施綜合控制，多只溫控表的使用,一方面使溫控電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,故障率增加,另一方面由于溫控表多為斷續(xù)控溫方式，因此造成各加熱區(qū)溫度波動(dòng)較大,影響了塑料制品的加工質(zhì)量。對(duì)于PLC集中控制方案，雖然能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施綜合控制，但是要編寫(xiě)多回路的PID控溫算法實(shí)現(xiàn)難度大，占用CPU的資源多，一旦溫區(qū)超過(guò)8個(gè)則難以實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制。如果采用高級(jí)別的CPU構(gòu)建系統(tǒng)，則價(jià)格昂貴，性?xún)r(jià)比低。針對(duì)以上情況,我們采用了一種多回路PID溫度控制智能模塊為控制核心構(gòu)建擠出機(jī)的溫度控制系統(tǒng)。該溫控系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)單、控溫精度高、性能穩(wěn)定，具有較高的實(shí)用價(jià)值。該系統(tǒng)可以匹配多類(lèi)型低級(jí)別的PLC，具有控溫精度高、硬件簡(jiǎn)單、價(jià)格低、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。
二、系統(tǒng)配置及功能介紹
由上所述，傳統(tǒng)的控制方式有分離儀表控制和PLC集中控制兩種，第一種方式不具備集中控制的意義，故不作分析。以西門(mén)子S7-300的PLC構(gòu)成16個(gè)溫區(qū)的集中控制系統(tǒng)硬件配置如圖1所示：
圖1. PLC集中控制溫控系統(tǒng)硬件配置
圖中SM331是八路熱電偶輸入模塊，SM322是16路開(kāi)關(guān)量的輸出模塊，CPU314是西門(mén)子的中檔CPU，它作為多回路PID的控制核心。由于考慮到每個(gè)溫區(qū)有可能存在加熱和冷卻的需要，所以系統(tǒng)配置兩個(gè)SM331，兩個(gè)SM322，構(gòu)成16路溫度輸入、32路開(kāi)關(guān)量輸出的控制系統(tǒng)（其他的開(kāi)關(guān)量輸入輸出忽略）。該系統(tǒng)的控制精度取決于CPU314的運(yùn)算速度和PID算法，如果采用STEP7的PID標(biāo)準(zhǔn)功能塊，則對(duì)于純滯后大慣性的控制對(duì)象，難以達(dá)到理想的效果；如果自己編寫(xiě)專(zhuān)用的PID控制算法則難度較大。該系統(tǒng)還存在隨著溫區(qū)數(shù)量的增多（較多機(jī)型的溫區(qū)在30個(gè)左右）存在價(jià)格升高、控制精度下降的缺點(diǎn)。
以多回路PID溫度控制智能模塊為核心，匹配低級(jí)別PLC構(gòu)建塑料擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)多溫區(qū)控制的理想方案。系統(tǒng)硬件配置圖如圖2所示：
圖2. 多回路PID溫控模塊的溫控系統(tǒng)硬件配置
圖中M_PID4R_K是佛山市皓科控制技術(shù)有限公司研發(fā)生產(chǎn)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的四回路PID溫度控制智能模塊，由于模塊每回路均帶有獨(dú)立的加熱、冷卻開(kāi)關(guān)量輸出，因此只需要配置4個(gè)模塊。各模塊可獨(dú)立的控制對(duì)應(yīng)回路的溫度值，CPU只需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線就可以輕松的控制各回路的啟閉及獲取各回路的當(dāng)前溫度、設(shè)定溫度值。因此CPU可采用西門(mén)子的低檔系列S7-200的CPU-226，系統(tǒng)硬件和軟件大大簡(jiǎn)化，系統(tǒng)的價(jià)格大幅下降（僅為原系統(tǒng)價(jià)格的三分之一），系統(tǒng)的控制精度、可靠性、穩(wěn)定性大幅提高。
四回路PID溫度控制智能模塊具有1500V電氣隔離的24VDC輸入接口、四路獨(dú)立隔離的熱電偶輸入、四組獨(dú)立隔離的晶體管或繼電器開(kāi)關(guān)量輸出、支持MODBUS/RTU協(xié)議的RS485隔離通訊口等優(yōu)秀的電氣性能。通過(guò)與支持MODBUS現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的上位機(jī)連接最大可擴(kuò)展從機(jī)128個(gè)，即實(shí)現(xiàn)512個(gè)溫區(qū)的控制。值得一提的是該控制模塊的PID算法是針對(duì)純滯后、大慣性對(duì)象而開(kāi)發(fā)的模糊自適應(yīng)PID控制算法，非常適合塑料螺桿擠出機(jī)、吸塑機(jī)、注塑機(jī)等機(jī)械的多溫區(qū)精確控制。
三、四回路PID溫度控制智能模塊的工作原理
四回路的PID溫度控制智能模塊可以看做是四個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，在一個(gè)采樣周期內(nèi), 溫度傳感器（熱電偶）將檢測(cè)到的料筒與機(jī)頭溫度信號(hào)PV，與設(shè)定值SV 進(jìn)行比較，得到偏差e = SV—PV。結(jié)合所給的P、I、D 參數(shù)和溫度控制策略進(jìn)行PID運(yùn)算得出控制輸出值，經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制，最后得到繼電器在一個(gè)采樣周期中的導(dǎo)通時(shí)間。通過(guò)控制繼電器在一個(gè)采樣周期中的導(dǎo)通時(shí)間即可控制加熱器的加熱時(shí)間，或者冷卻風(fēng)機(jī)的工作時(shí)間，從而達(dá)到精確控制溫度的目的。四個(gè)回路獨(dú)立工作，互不干擾，具有極高的穩(wěn)定性和可靠性。
四、溫度控制策略
在進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)時(shí),比例調(diào)節(jié)反映系統(tǒng)偏差的大小,只要有偏差存在,比例調(diào)節(jié)就會(huì)產(chǎn)生控制作用,以減少偏差。微分調(diào)節(jié)根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)來(lái)產(chǎn)生控制作用,它可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。積分調(diào)節(jié)根據(jù)偏差積分的變化來(lái)產(chǎn)生控制作用,對(duì)系統(tǒng)的控制有滯后的作用,可以消除靜態(tài)誤差。增大積分時(shí)間常數(shù)可提高靜態(tài)精度,但積分作用太強(qiáng),特別是在系統(tǒng)偏差較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生積分飽和使系統(tǒng)超調(diào)量較大,甚至引起振蕩。四回路的PID溫度控制智能模塊的溫度控制策略如圖3所示：
圖3 溫度偏差采用不同的溫控策略
1) 實(shí)際溫度低于T1 時(shí),為加快響應(yīng)速度,全功率加熱。
2) 實(shí)際溫度位于[ T1～T2 ]范圍內(nèi)時(shí),為避免積分飽和,分離積分項(xiàng),采用PD 控制。
3) 實(shí)際溫度位于[ T2～T3 ]范圍內(nèi)時(shí),采用PID 控制。
4) 實(shí)際溫度位于[ T3～ T4 ]范圍內(nèi)時(shí),采用模糊自適應(yīng)PID 控制。
5) 實(shí)測(cè)溫度大于T4 時(shí),接通風(fēng)扇電源,強(qiáng)制制冷。
其中T1、T2、T3、T4可以通過(guò)組合參數(shù)的設(shè)定配置給模塊，也可以由模塊來(lái)自動(dòng)的整定，這種控制策略不僅考慮了實(shí)測(cè)溫度和設(shè)定溫度的偏差,而且考慮了實(shí)測(cè)溫度的變化趨勢(shì),可減少超調(diào)和波動(dòng),具有很靈活的自適應(yīng)效果。實(shí)際的溫度曲線如圖4示。
圖4.實(shí)測(cè)的控溫曲線
五、結(jié)束語(yǔ)
本文提出了一種性?xún)r(jià)比很高的塑料擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)的解決方案，該方案不僅降低系統(tǒng)的配置成本，而且大大提高了系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性。非常適合各種多溫區(qū)控制的設(shè)備使用。由所配套的多間公司的塑料擠出機(jī)的使用效果看出，在新的溫控系統(tǒng)控
制下，擠出機(jī)工作平穩(wěn)，取得良好的控制效果，控溫速度快，溫度超調(diào)量小于3℃，靜態(tài)誤差小于±1℃。該控制器不僅應(yīng)用與塑料擠出機(jī)，還可以應(yīng)用于注塑機(jī)、吸塑機(jī)、吹瓶機(jī)等機(jī)械的溫度控制，具有廣闊的應(yīng)用前景。
