基于PLC的注射機料筒溫度控制系統設計及仿真

蔡蓓蓓

（江蘇商貿職業學院 江蘇省南通市 226000）

塑料具有較強的抗氧化、耐腐蝕性能，并且美觀，質量較小，因而得到了化工、醫療、包裝等行業的青睞[1]。注塑成型作為此類型材料的重要加工工藝，其參數控制成為了重點研究內容。由于注射機料筒溫度控制對這些此項工藝參數影響較大，所以如何控制料筒溫度是提升塑料加工的關鍵[2]。以往采用人工操控進行控制，參數設置過程比較繁瑣，控制效率較低[3]。為了改善料筒溫度控制現狀，本文選擇PLC 作為核心控制器，提出料筒溫度控制系統設計及仿真研究。

1 注射機作業原理及控制

1.1 注射機結構

注射機的注塑系統主要由螺桿、料斗、油缸、料筒、噴嘴、模具、多區域加熱器組成，結構如圖1 所示。

作業期間，向料筒中放入塑料顆粒，而后進入料筒，此時加熱器開始作業，料筒內溫度升高，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，最后達到磨具型腔?？刂魄粌葴囟群蛪毫Ρ３植蛔?，靜止一段時間后，降低腔內溫度，待塑料冷卻成型后取出，得到塑料產品[5]。其中，料筒內部溫度升高，采用的方法為熱量傳遞法，在料筒外部布設加熱線圈，開啟線圈加熱作業模式后，線圈溫度升高，此部分溫度通過料筒外部具有熱傳導性能的材料傳遞熱量，從而實現筒內加熱操控[6]。由此看來，料筒內溫度控制，在很大程度上取決于料筒結構。另外，螺桿作為加工材料推動主要裝置，其在推動過程中產生的摩擦會轉化為熱量，所以此項操作也會影響到料筒內溫度。當螺桿的轉速升高時，推動期間產生的熱量就會更高[7]。

從注射機結構及作業原理來看，料筒內部溫度控制系統存在滯后性、時變性、非線性，其主要被控量為料筒溫度。假如設備作業期間料筒溫度過低，那么塑料顆粒的流動性就會下降，塑化結構未能達到均勻標準[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備磨損。假如設備作業期間料筒溫度過高，部分顆粒在料筒中出現分解情況。在此情況下，組織疏松，出現大量起泡，部分結構甚至產生炭化現象，對產品質量影響較大[9]。

1.2 注塑工藝流程

依據注射機結構及作業原理，對注塑工藝流程進行詳細探究，從而明確溫度控制要點。作業期間，將塑料顆粒放進料口中，而后流入料筒中[10]。在料筒外側布設一些電阻絲，通過加熱這些電阻絲，來提高料筒內溫度，此時塑料顆粒開始熔化，當其達到熔融狀態以后，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。其中，推送距離的控制，根據測量系統采集到的數據進行計算確定。另外，根據距離計算結果，可以推算熔融塑料體積，當該數值達到上限后，立即停止螺桿推送。當熔融塑料通過射臺前進達到液壓系統操控位置時，液壓系統會接收到此信號，根據設定的作業壓力和速度參數，完成注射操作，使其注射到模具內腔中。其中，注塑模型的選取根據塑料形狀加工需求設定。內腔中需要保證壓力和溫度不變，當前達到設定的靜止時間后，采取冷卻處理的同時，將其塑化。當腔內溫度達到冷卻溫度標準后，觀察塑化操作是否完成，如果兩項操作均達到標準，則開模，將加工完畢的塑料產品通過射臺后退，從產品輸出口將制品頂出。如圖2 所示為注塑工藝流程圖。

圖1：注射機結構

圖2：注塑工藝流程圖

1.3 基于PLC的注射機料筒溫度控制

控制系統作為注射機料筒作業核心控制工具，主要利用PLC編寫程序控制命令，根據注塑工藝中對料筒溫度控制需求，設置各項參數。同時，根據實際作業情況，對參數進行有效調節，從而保證料筒作業得以協調。關于操作控制，通過采集壓力、溫度等數據，下達控制命令，以閉環控制方式，實現料筒作業溫度控制。料筒加熱過程中，當溫度達到上限值后，開始冷卻，即下調溫度，完成一次操作后，需要再次采取升溫降溫的控制，所以閉環控制的設置，能夠滿足料筒作業溫度控制需求。

2 基于PLC的注射機料筒溫度控制系統設計

2.1 系統硬件結構

本文提出的注射機料筒溫度控制主要針對3 段溫度進行控制，分別是塑化前段、塑化中斷、塑化后段，根據料筒內實際溫度，調節加熱電阻工作狀態。其中，溫度數據的采集，利用熱電偶傳感器完成，將其安裝在滾筒內部，通過采集其內部溫度，掌握熔融后的塑料溫度，根據此數值經過溫度變送器發送至PLC 核心控制器中，經過計算，判定當前溫度是否達到設定溫度范圍上限值，如果達到上限值，則下達穩溫命令，反之，繼續加熱電阻，為滾筒內塑料顆粒熔融創造溫度條件。如圖3 所示為系統硬件結構。

表1：仿真結果

圖3：系統硬件結構

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，判斷當前料筒內溫度變化情況。其中，FX2N-4AD 代表模擬量采集模塊，對應的輸出模塊為FX2N-4DA。系統中溫度數據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，下達繼電器、接觸器、驅動器等裝置作業命令，在這些裝置的驅動下，開啟伺服電機、加熱線圈、電磁閥、液壓泵電機作業狀態，從而實現注射機溫度和壓力控制。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 采集壓力和溫度數據，通過FX2N-4DA 輸出，發送至PLC 核心控制器中。經過模數轉換處理，向其中輸入數字信號。為了便于操控，本系統還添加了觸摸屏，利用此裝置顯示注射機作業參數數據變化情況，根據顯示結果，對PLC 控制程序進行調節，從而使得PLC 自動化控制更加精準，以此提高注射機作業質量。

2.2 注射機料筒溫度控制

2.2.1 控制算法

目前，工業中應用比較多的控制算法為PID 控制算法，該算法不僅穩定性較高，而且結構簡單，比較容易理解，開發難度低，利用該算法計算變量數值，根據設定的條件，實現自動化控制。實際應用中，采集各項參數實際數值，經過計算獲取當前采集數值與目標數值之間的差值，將其代入PID 控制算法中，采取微分、積分、比例計算處理，得到相關參數數值，判斷工業設備作業狀態是否達到標準，根據差值計算結果，通過調整相關參數數值，使其得以滿足自動化操控需求。當采集到的實際數值與設定目標值基本相同，則開啟穩定控制等操控命令。

對于本研究提出的注射機料筒溫度控制來說，將采集到的參數數值代入PID 控制算法中，經過比例環節、積分環節、微分環節，計算料筒溫度，從而獲取實際料筒溫度。將此數值與目標溫度進行對比，得到溫度差值，如果溫度差值為0，則保持當前溫度，反之，繼續提升料筒內溫度，直至差值為0。如圖4 所示為料筒溫度控制算法閉環結構。

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

本系統利用PID 控制器，對料筒內溫度進行控制，輸出數值為u(t)，該數值的數學模型為：

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

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結構

圖5：核心控制器作業程序流程圖

關于PLC核心控制器作業程序的開發，根據料筒塑料熔融溫度、壓力、推送位移控制要求，設定料筒溫度控制相關參數標準。根據實際差值計算結果，下達控制命令。本文以熔融溫度控制為例，開發控制程序。該程序的開發，利用傳感器采集溫度數據，將該數值與設定溫度數值進行對比，如果實際測量溫度低于設定溫度值，則下達料筒外電阻絲升溫控制命令，如果高于溫度數值，則冷卻降溫，再次判斷此溫度與設定溫度關系，如果與設定溫度數值相近，則保持此溫度一段時間。對于實際溫度偏低情況，經過計算，確定電阻絲加熱參數數值，經過微分、積分、比例一系列計算控制，生成實際控制溫度數值，再次與設定溫度數值進行對比。如果實際溫度數值與設定溫度數值相近，則保持當前加熱控制參數不變，使得塑料顆粒得以達到熔融狀態。反之，繼續按照上述步驟，繼續調整加熱相關參數數值。如圖5 所示為核心控制器作業程序流程圖。

圖5 中，作業程序沒有結束，而是根據料筒實際溫度和設定溫度關系，下達不同操控命令，使得塑料顆粒得以達到熔融狀態，與注射機作業原理相同，符合系統開發要求。

3 仿真實驗

為了檢驗本文提出的系統設計方案可靠性，本研究通過開展仿真實驗。本次實驗以料筒溫度指標作為仿真測試對象，通過組織測試控制系統輸出的料筒實際溫度數值與設定溫度數值對比仿真實驗，對系統設計方案可靠性進行判斷。以往設計的控制系統，溫度控制差值在0.8℃以上，如果本系統測試溫度差值在0.8℃以內，則認為本系統設計方案可靠。實驗中，設定標準溫度為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值，通過結果如表1 所示。

表1 中，10 組料筒內溫度控制數值在200℃上下浮動，雖然每次測量結果均未達到200℃，但是與200℃數值相近，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。因此，本系統能夠較為精準地控制注射機料筒溫度控制，可以打造良好的塑料顆粒熔融環境，在溫度控制方面滿足自動化控制需求。

4 總結

本文圍繞注射機料筒溫度控制系統開發方法展開探究，選取PLC 作為核心控制器，構建系統硬件框架結構。根據料筒溫度控制需求，設計系統作業算法及控制程序。其中，系統控制命令的下達，依據熱電偶傳感器采集到的數據，計算當前料筒內溫度差值，采取閉環溫度控制。仿真測試結果顯示，本系統應用下，料筒溫度控制差值最大值為0.5℃，在誤差允許范圍之內。因此，本系統可以用于注射機料筒溫度控制。