一種基于多點檢測的注塑機溫度控制系統(tǒng)

黎洪洲

摘?要：注塑機溫度控制主要包括對料筒溫度、料口處溫度、噴嘴溫度、模具溫度、油溫進行控制。溫度是注塑工藝的重要參數(shù)，溫度控制不好將直接影響到制品的質量。本文基于多點檢測技術，設計了一種注塑機溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件采用成本較低的單片機為處理器，軟件上采用模糊控制算法，對溫度控制的精度較高且速度較快，能夠滿足生產實踐的需求。

關鍵詞：注塑機溫度控制?單片機?溫度傳感器

中圖分類號：TQ320 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）10（a）-0085-01

在注塑成型過程中，溫度是影響產品質量的重要因素[1-2]。控制溫度就要求在檢測、控制環(huán)節(jié)有良好的性能及較高的自動化程度。在測控系統(tǒng)中，對各個監(jiān)測點進行溫度測量，采用多點溫度監(jiān)控[3]。這種方式與單點PID控制相比，特別是點數(shù)較多的時候，系統(tǒng)要復雜很多。檢測系統(tǒng)的改造與升級采用多處，多點溫度監(jiān)控可提高系統(tǒng)的精度和速度，提升了注塑機控制系統(tǒng)的性能[4]。

本文設計的系統(tǒng)采用多個熱電偶溫度傳感器，將注塑機內部不同位置檢測的塑料溫度信號傳給控制器，通過注塑機工藝參數(shù)設置與優(yōu)化編譯軟件，控制器實時輸出控制命令，控制加熱、冷卻裝置來控制溫度，從而達到調節(jié)溫度的目的。該系統(tǒng)控制精度高，速度快，能滿足生產實踐及教學的需要。

1系統(tǒng)硬件設計

注塑機溫度控制硬件系統(tǒng)中。處理器采用編程較方便的通用單片機AT89C51。多點的多個溫度傳感器將測得的溫度信號，經過運算放大器放大，傳給ADC進行模數(shù)轉換。控制溫度的執(zhí)行元件為若干個電磁繼電器，實現(xiàn)注塑機的加溫或降溫過程[5]。

注塑機的多點溫度測量有三種情況。

（1）峰值溫度測量。要準確地測量出物料某時間的溫度，必須把測溫端插在物料中，此方法就是峰值溫度測量。峰值溫度是不連續(xù)的一段的溫度值，可以實時顯示，但實時調節(jié)控制有延后。

（2）平均溫度測量。注塑機多點測量溫度的平均值。總的來看，一般采用3個熱電偶溫度傳感器，其安裝位置一般在切面上均勻分布，互成封閉的整體。而且熱電偶成并聯(lián)的形式。因為并聯(lián)熱電偶輸出端的熱電勢是所有并聯(lián)熱電偶測量值的平均值。所以測量的是整個切面的平均溫度，較接近物料的實際溫度，因此采用平均溫度控制結果較好。

（3）瞬態(tài)溫度測量。在切面上的左右對稱點的位置放兩個熱電偶，它們的熱電勢應基本相同，其平均值就是它們各自的即時測量值。可以測量出來該切面物料的瞬時溫度值，這種測量就叫瞬態(tài)溫度測量。把測量信號輸出，用來顯示監(jiān)視和控制，能達到其測量和控制的結果。實際中要考慮多個熱電偶溫度傳感器的位置與絕緣的長度問題，測量的溫度信號是不是連續(xù)的信號，一般此信號只可以實時顯示。

本系統(tǒng)采用平均溫度測量方法。用熱電偶PT100做溫度傳感器，PT100鉑電阻溫度傳感器的零度阻值為100Ω，其電阻變化率為0.3851Ω/℃，是中低溫區(qū)（-200～650℃）最常用的一種溫度檢測器。它的精度高，重現(xiàn)性和穩(wěn)定性好，應用溫度范圍廣，廣泛應用于工業(yè)測溫。

溫度檢測到的信號經過前端放大電路放大。傳感器測量電橋由R33、R42、R36 和Pt100 組成。電橋的輸入電壓通過TL431穩(wěn)至2.5V，用來保證電橋輸出電壓信號的穩(wěn)定。輸出的差分信號通過U5A，U5B后輸入單片機。R36是可調電阻，一般用來調整零點。調節(jié)R36能改變輸入到運放的差分電壓信號大小。采用LM358集成運算放大器，放大電路采用兩級放大，前一級約為10倍，后一級約為2倍，能防止單級放大倍數(shù)過大產生的非線性誤差。溫度變化范圍0～100℃，如果溫度上升，Pt100阻值變大，輸入放大電路的差分信號變大，輸出電壓也會相應變高。

A/D轉換器采用間接型A/D轉換方式中的V，F(xiàn)轉換器，型號為LMI31，它的作用是把電壓信號轉換為不同頻率的數(shù)字信號，再送到計算機的串口，通過計算機識別其頻率的變化來確定電壓變化情況。LMI31是通用型的V/F變換器，適用于A/D轉換器、高精度V/F變換、長時間積分器、線性頻率調制或解調器等電路。

2 系統(tǒng)軟件設計

為了準確的進行溫度調節(jié)，提高控制精度及效率，溫度劃分區(qū)間模糊控制的原理，把溫度劃分為直接加熱區(qū)、溫度主控區(qū)和加熱停止區(qū)三個調節(jié)范圍（劃分范圍可根據(jù)工藝參數(shù)設置與優(yōu)化，也可設定溫度T 的百分比為基準，用戶在輸入界面中完成）。由實例推理技術模擬工藝參數(shù)設置，使溫度誤差在不同的范圍內采取不同的控制策略。在直接加熱區(qū)時，用固態(tài)繼電器控制電路導通、截止。以控制加熱器的工作狀態(tài)，使溫度迅速達到調節(jié)范圍。控制溫度偏差在誤差范圍內，不至于PID運算的積分累積，引起系統(tǒng)較大的超調，甚至震蕩，溫度主控區(qū)的[T1，T2]階段為積分分離階段，進行PD （比例-微分）控制，而在[T2，T3]范圍內則采用PID控制。在注塑機工作時，注塑溫度主要在這個范圍內波動，控制器根據(jù)脈寬調制原理決定繼電器的導通或截止時間，實現(xiàn)溫度的精確控制。

3 調試結果

3.1 溫度整定

本系統(tǒng)實驗用的傳感器為PT100型熱鉑電阻，溫度控制模塊將傳感器傳來的信號轉化成2字節(jié)長的無符號數(shù)輸入工控機。實驗結果顯示，此數(shù)據(jù)在傳感器整個溫度測量區(qū)[0，300]表現(xiàn)出非線性的特征，但在分段區(qū)間內顯示出良好的線性特征。在溫度整定過程中，為了實現(xiàn)快速、準確的目的，采用了MATLAB這類的工具，對數(shù)據(jù)采用歸一化處理及最小二乘法擬合。在程序測試中，編制了一個模塊運用擬合的結果對溫度進行整定，經現(xiàn)場實驗驗證，在注塑機工作的溫度范圍內，整定精度優(yōu)于0.5%取得了符合要求結果。

3.2 溫度控制曲線

實際試驗采用聚丙烯粒料。如圖5從溫升曲線可以看出，直接加熱段顯著縮短了加熱時間，由初始狀態(tài)接近設定溫度不到10min，積分分離以及超限加熱停止（系統(tǒng)設定為超過設定溫度2℃則加熱停止）策略，能較好的解決溫度過沖問題；減少采樣時間（0.5s）可使系統(tǒng)對溫度變化的響應加快，系統(tǒng)動、靜態(tài)控制精度得到提高。

4 結語

注塑工藝對溫度控制的要求高，根據(jù)生產和教學要求，本文給出了一種基于多點檢測的注塑機溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件成本較低，通用性強，且實踐表明該系統(tǒng)溫度控制效果較好，能滿足大多數(shù)實踐應用場合。

參考文獻

[1]萬力，彭玉樓.單片機在注塑機溫度控制中的應用[J].機械與電子，1997.

[2]林國治，尹開勤，劉釗.基于單片機的注塑機溫度采集系統(tǒng)的設計[J].機械設計于制造，2011.

[3]孫振強.基于單片機的注塑機溫控系統(tǒng)設計[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2012.