雙螺桿擠出壓片機調速系統改進

桂林電子科技大學 王寬田 葉俊明 蘇鵬鑒

桂林泓成橡塑科技有限公司 伍夢軍

桂林電子科技大學 劉海燕

雙螺桿擠出壓片機調速系統改進

桂林電子科技大學 王寬田 葉俊明 蘇鵬鑒

桂林泓成橡塑科技有限公司 伍夢軍

桂林電子科技大學 劉海燕

密煉機間歇性的工作方式，和橡膠特有的高彈性，使得雙螺桿擠出壓片機控制系統存在著非線性、時變性等復雜的問題。為了解決這些問題給傳統雙螺桿擠出壓片機調速控制系統帶來的缺陷，采用橡膠工業控制中普遍使用的PLC可編程控制器實現模糊控制算法，將兩者的優勢有效地結合起來，可方便企業工廠在不增加硬件設備成本的前提下提高雙螺桿擠出壓片機的控制系統性能。

雙螺桿擠出壓片機；非線性；調速控制系統；模糊控制；PLC

1.引言

在輪胎生產過程中，膠料加工是一項看似簡單卻又十分重要的工作，它影響到輪胎各種部件膠料的質量，雙螺桿擠出壓片機是密煉機重要的下輔機，由于其工作效率高，生產連續化，節能環保，省人工，易維修，占地小等優勢，贏得了眾多密煉機用戶的青睞。橡膠工業市場上的雙螺桿擠出壓片機種類繁多，本文對其中一種雙螺桿擠出壓片機的調速系統進行研究。雙螺桿擠出壓片機實際生產應用中，輥筒及螺桿轉速、被加工材料的特性、機筒溫度、出口壓力等因素都會影響橡膠制品的質量[1]。優良的橡膠制品，不僅要正確地選用原料、加工的設備及合理的工藝參數，控制系統的設計也是相當關鍵的。本文以提高系統的產品質量為目的，就一款XJY-SZ330型的雙螺桿擠出壓片機的調速控制系統進行研究改進。

2.雙螺桿擠出壓片機的工作原理

橡膠的配料配置完成后，將被送到密煉機，由密煉機高溫密煉后通過喂料斗送入雙螺桿擠出壓片機中，作為密煉機下輔機的擠出壓片機的螺桿要求能在最短的時間把松散的膠料壓實并迅速擠出后壓延成片。

該雙螺桿擠出壓片機系統的電氣控制功能分為兩部分：手動操作功能和自動運行功能。手動功能是通過人工調節操作臺上的擠出機和壓片機的給定電位器來調節電機轉速，以達到產品的工藝要求。自動功能是通過調節操作臺上的自動給定電位器來調節壓片機轉速，同時根據設定的出膠壓力自動調節擠出機的轉速。本文主要研究的是自動運行部分。

在自動運行的條件下：為使XJYSZ330型雙螺桿擠出壓片機(以下簡稱“擠出壓片機”)產出連續規則的橡膠片，密煉機下料到喂料斗后，喂料斗內置的料位感應器將料位信號傳遞至擠出壓片機的控制器，控制器根據預先的設定將輥筒轉速調節在相應的數值：當喂料斗內橡膠過多時，控制器調節輥筒速度至高速，使橡膠被擠出壓片機迅速擠出；當喂料斗內橡膠適中時，控制器調節輥筒速度至中速，使橡膠被勻速擠出；當喂料斗內橡膠過少時，控制器調節輥筒速度至低速，保證橡膠的連續出片。

而螺桿速度則在輥筒速度的基礎上調節，當螺桿內橡膠過多，其電機電流值因此過大時，控制器將調節螺桿轉速使其單位時間遞減1轉的速度下降，使電流回穩至設定的參考值，以使橡膠在出片的過程能均勻、穩定和連續；反之，當螺桿內膠料過少，電機電流此時的值過小時，控制器將調節螺桿轉速使其單位時間遞增1轉的速度上升，使電流升至參考值。

由于密煉機出膠的間歇性，螺桿的電流會產生非線性的波動，當變化率過大，電流未達到上限值，螺桿轉速需線性遞減，但無法及時跟進，這時螺桿將在一個較長的時間段內承受較大的負載，此時螺桿內膠料較多，擠出的橡膠密度也較大，且由于橡膠等高聚物本身的粘彈性和多種膠料共混的復雜情況，擠出的膠片形狀會相對變厚。當螺桿負載變小，電機電流減小到中間參考值時，螺桿速度將突然由先前的高速轉到一個對應的速度勻速運轉，機器速度的變化較大，此時擠出的橡膠厚度密度都會發生改變。如此看來，傳統調速方式會使螺桿電機速度產生較大的波動，不僅如此，還會對擠出的橡膠片質量產生不良的影響。

3.基于模糊控制算法的控制系統設計

3.1 總系統PLC程序設計

生產實踐證明，當負載變化率較小，傳統的單位時間遞增/遞減1轉的速度足以滿足控制要求。而當負載變化率較大，傳統的調速系統則難以跟隨負載及時地將螺桿電流回穩，如此將會造成橡膠給螺桿造成長期的壓力，不僅出膠質量受到影響，螺桿電機的使用壽命也受到影響。模糊控制則能解決這個問題，它將熟悉的操作人員的經驗體現在控制上，能根據實時的電流值給出相應的速度，避免了傳統單位時間遞減1轉的速度跟不上負載變化率的問題。

由于模糊控制的控制精度并不是很理想[2]，因此本文采用模糊控制與傳統控制方式相結合的控制方式。當電流誤差變化率較小時采用傳統控制方式，較大時采用模糊控制方式。使系統能較快的、較精確地調節螺桿轉速以滿足生產需求。其中模糊控制器選擇的是雙輸入單輸出型，雙輸入分別是實時電流與參考電流的差值E，和該差值的變化率EC[3]。

總體的程序結構圖如圖1。

圖1中的主程序主要完成對采樣的電流或電壓信號進行A/D或D/A的轉換，系統各個故障狀態讀取及處理，系統各部分報警狀態設定，輔機的啟動和調節，壓片機的啟動和其輥距的調節，壓片機和擠出機的速度匹配，中間值的轉換，及與觸摸屏連接信號等。本文主要研究其中的模糊控制部分。

其中判斷EC大小可以由下面的圖2做參考：

本課題的誤差變化率EC是誤差的微分值，曲線上某點微分的幾何意義相當于該點附近的斜率，當斜率是正的，如上圖a)所示，將線a的斜率設為界限，當EC值大于a的斜率如a1則采用模糊控制，小于a的斜率如a2則采用傳統控制；同理當EC值是負的，小于b)圖中的b則采用模糊控制，反之采用傳統控制。為防止機器瞬間產生的誤差影響控制方式的選擇，可以在采EC一段時間前采用傳統控制，當該采樣時間到，EC的值一直處于采用模糊控制的范圍，則選取模糊控制。

圖1 總系統PLC程序框圖Fig.1 PLC programme flow diagram of total system

圖2 誤差變化率大小分析圖Fig.2 analysis plot for EC dimension

3.2 模糊控制器的設計

1）根據操作人員的經驗確定雙輸入E、EC和單輸出U的模糊集合的隸屬度函數，為方便計算，將E用A代表，EC用B代表，U用C代表，Ai，Bi，Ci代表各自集合下的論域語言值，并將其以矢量形式表示，列成如表1的表格[4]。

2）根據各模糊集合的隸屬度函數表，確定的模糊控制規則確定模糊關系[4]Rl（l=1，2，…，9），如：

其中E*和EC*分別是表中的A1和B1，由此求出控制器輸出模糊矢量，然后通過加權平均法求出

輸出量u*，最后由式子（5-2）得到最終的輸出控制量u。

若u’的變化范圍為[Umin，Umax]，實際控制量的變化范圍為[umin，umax]，采用線性變化，則[5]

圖3 雙螺桿擠出壓片機模糊控制的PLC程序流程圖Fig.3 PLC programme flow chart of twin screw sheeter’s fuzzy control

模糊算法PLC的程序流程圖

模糊控制PLC的程序流程圖如圖3。

通過A/D模塊，PLC讀取螺桿電流值，程序先讀取論域、量化因子、比例因子即E和EC的初始值。然后根據需要判斷螺桿電流是否過高，如果過高則意味著螺桿承受的壓力過大，需快速減速，根據經驗設定減少7-9轉，使電樞電流降至正常數值運行，以保護擠出主電機。這個限制電流的設定范圍在150-270A，默認值為250A。然后判斷螺桿電流是否過低，如果小于等于該電流值則停止運行，這個電流值的設定范圍在90-120A，默認值為95A。誤差是實時電流與參考電流的差，程序可以通過計算后直接讀取。誤差變化率則根據流程圖所示由式子△E/dt=（E(t)-E(t-1)）/dt求取。根據上一小節的分析，當EC在一段設定的時間內滿足模糊控制條件，則主程序調用模糊控制子程序，反之調用傳統調速方式。

進入模糊控制后，判斷E，EC是否超出模糊控制的論域范圍，大于則將其改為對應的上限，小于則改為對應的下限。接著根據量化后的E，EC查詢離線計算出的查詢表得出模糊控制量U，最終乘以相應的量化因子得到實際的控制量u給予D/A模塊輸出控制電機轉速。

表1 模糊集合A的隸屬度函數Table1 membership function of fuzzy set A

4.總結

本文首先探討了雙螺桿擠出壓片機的調速系統中的不足，針對其特點提出將模糊控制應用到其控制系統中，并提出將傳統控制與模糊控制相結合的新思路。接著介紹模糊控制器的設計方案，最后給出新的調速系統PLC流程圖。使用PLC實現模糊控制算法將兩者的優勢有效地結合起來，可方便企業工廠在不增加硬件設備成本的前提下提高雙螺桿擠出壓片機系統的控制性能，此外，帶模糊控制算法的系統具有較廣泛的推廣應用前景，稍加改進和完善后可直接應用在其他工業控制中的調速和溫控領域。本項目若能研制成功，將為高效、低耗和穩定的連續塑膠技術的開發提供有力的保證。

[1]武義.螺桿擠出機膠料擠出性能研究[D].沈陽農業大學.2007.5

[2]張化光,何希勤等.模糊自適應控制理論及其應用[M].北京:北京航空航天大學出版社.2002.

[3]曾光奇,胡均安,王東等.模糊控制理論與工程應用[M].武漢:華中科技大學出版社.2000

[4]諸靜.模糊控制理論與系統原理[M].北京:機械工業出版社.2005

[5]湯兵勇,路林吉,王文杰.模糊控制理論與應用技術[M].北京:清華大學出版社.2002

Improvement Design of Twin Screw Sheeter Speed Control System Based on Fuzzy Control

The fi tful work of mixer，and the high elasticity of rubber，made the twin screw sheeter’s control system had the nonlinear，time variant and other complicated problems.In order to solve the defects that these problems brought to the traditional twin screw sheeter’s speed control system，adopted PLC which rubber industry commonly used，to realize fuzzy control in twin screw sheeter，can combine their advantages effectively.These can also improve twin screw sheeter’s control system performance without adding any equipment cost.

Twin screw sheeter；nonlinear；traditional speed control system；fuzzy control；PLC

王寬田（1986—），男，廣西北海人，大學本科，桂林電子科技大學職業技術學院教師。