基于PLC的螺桿擠出機控制系統

張 軍

（內江職業技術學院，四川省內江市 641199）

塑料具有物化性質穩定、價格低廉、質量輕、密度小、絕緣性好等優點，廣泛應用在建筑、醫療、航天、農業等領域［1-3］。螺桿擠出機是用于熱塑性塑料加工生產的主要設備之一，具有物料輸送能力大、擠出量控制精確、物料混合均勻等優點，在塑料加工生產領域被廣泛使用［1-3］?，F有擠出機控制系統大多采用單片機或工控機進行邏輯控制和數據采集，控制系統穩定性較低，不能保證擠出機的連續運行。擠出機控制系統主要由主控制器、人機交互系統、外圍儀表以及執行機構等組成，主要作用是通過主控制器完成邏輯控制、伺服電機驅動，輸出滿足工藝要求的電機轉速和功率，并完成外部傳感器（如溫度、壓力）的采集，以實現整個螺桿擠出機系統的自動控制。

可編程控制器（PLC）具有可靠性高，抗干擾能力強，硬件配套齊全，功能完善，適用性強等特點［4-9］，廣泛應用于復雜的工業控制領域。為了保證螺桿擠出機控制系統的穩定可靠運行，實現自動化控制和數據的實時采集，本工作設計了一款以日本松下公司的FP-XC60R型PLC為控制核心的螺桿擠出機控制系統，通過PLC完成螺桿擠出機的邏輯自動控制程序，通過松下公司的模擬量采集模塊實現外部傳感器數據采集。為了解決傳統比例積分微分（PID）控制方法自適應能力差的缺陷，設計了模糊PID自適應控制方法，并通過仿真驗證該控制系統的有效性和可靠性。

1 螺桿擠出機架構

螺桿擠出機主要由進料系統、驅動系統、溫控系統以及真空系統等組成，結構示意見圖1。螺桿擠出機工作時，物料通過進料系統進入擠出機，在螺桿帶動下進入到料筒，料筒中的物料在加熱系統的作用下不斷被融化成流體狀態，流體在螺桿的帶動下均勻分散在料筒內部，并隨著螺桿的旋轉不斷向前運動，最終流體被傳送到末端模具內腔中，加工成具有一定形狀的塑料制品。

圖1 螺桿擠出機結構示意Fig.1 Structure of screw extruder

2 螺桿擠出機硬件結構

為了實現螺桿擠出機控制系統的穩定性和可編程性，采用松下公司的FP-XC60R型PLC作為螺桿擠出機的控制核心，并結合伺服驅動器實現擠出機工作過程的自動控制，通過高速脈沖輸出端口實現伺服電機的速度和位置精確控制。通過PLC的數字量輸入和輸出端口實現擠出機料筒的加熱，由PLC模擬量采集模塊實現溫度和壓力等模擬量值的采集，并結合智能PID控制算法實現閉環自動控制。

2.1 PLC系統組成

PLC作為主控制單元，主要實現擠出機的電機驅動控制、料斗下料控制、料筒加熱控制以及冷卻裝置控制，控制系統結構示意見圖2。

控制單元選用的FP-XC60R型PLC采用交流電，電壓為100～240 V，擁有32點24 V DC輸入，繼電器輸出電流為28點2 A，程序容量為32 kB，并配備了USB通信端口。該款PLC通過在插槽中安裝一個通信模塊，利用RS-485串口與觸摸屏實現數據交換，并預留一個RS-485接口作為上位機監控系統。PLC配置了4軸的脈沖輸出功能，并內置于控制單元本體中，通過該脈沖輸出功能實現螺桿擠出機伺服電機的轉速和位置控制。

圖2 控制系統結構示意Fig.2 Structure of control system

模擬量采集模塊選用AD8型，該模塊主要負責螺桿擠出機溫度數據采集，能夠實現8路模擬量數據采集。內部配備了平均濾波算法，從采集值中刪除最大值和最小值，并計算8次轉換值的平均值，從而保證了模擬量采集的精確性。

通過PLC自帶的輸入和輸出端子實現對料斗的開關、冷卻裝置以及伺服驅動器的控制。溫度采集傳感器將溫度數據傳送到AD8型模塊中，通過智能PID控制算法實現擠出機溫度的閉環自動控制。PLC脈沖輸出端口實現對擠出機電機的控制。

2.2 伺服驅動系統

螺桿擠出機驅動系統選用松下公司的A5系列伺服電機，控制原理見圖3。通過PLC脈沖輸出端口發出脈沖頻率和脈沖數量實現伺服電機的速度和位置精確控制。同時，編碼器反饋的信息傳送到CPU進行判斷分析，從而形成閉環控制。

3 螺桿擠出機軟件設計

螺桿擠出機軟件采用模塊設計，以方便程序可讀性和可修改性。系統運行前，首先啟動潤滑泵，潤滑完成后，通過觸摸屏將溫度目標值、伺服電機運行參數、自動/手動參數傳送到PLC中，為系統運行做準備。當螺桿擠出機電源接通后，PLC通過初始輸出控制加熱器對料筒進行預熱，伺服電機和輔助下料電機在預熱期間均處于停止狀態。當料筒加熱溫度達到目標值且料斗測料傳感器檢測到信號后，啟動伺服電機以及輔助下料電機。螺桿擠出機控制系統軟件流程示意見圖4。

采用PID控制方法實現螺桿擠出機溫度的精確控制。通過溫度傳感器實時采集料筒溫度，并將此溫度與設定的螺桿擠出機目標溫度進行對比，由此對比結果對PID輸出值進行調節。

圖3 伺服驅動系統Fig.3 Servo driving system

圖4 螺桿擠出機控制系統軟件流程Fig.4 Process of control system software in screw extruder

對于PID控制器，以螺桿擠出機溫度設定值r（k）與溫度實際采集值y（k）的偏差e（k）作為輸入，見式（1）。

其輸出u（k）可表示為式（2）。

式中：Kp為比例系數；Ki為積分系數；Kd為微分系數。

常規增量式數字PID控制算法可描述為式（3）。

式中：Δu（k）為PID控制器輸出增量。

4 實驗驗證

選擇東莞市寶輪精密檢測儀器有限公司的BL-6177-B型螺桿擠出機為實驗平臺，采用PID控制方法，設定溫度為260 ℃，實時監控螺桿擠出機料筒溫度并記錄。從表1看出：采用該控制系統能夠將螺桿擠出機溫度誤差控制在±0.4 ℃以內，該溫度完全能夠滿足螺桿擠出工藝要求。在實驗過程中，該控制系統能夠保障螺桿擠出機持續穩定運行，說明該控制系統擁有較高的穩定性和可靠性。

表1 實驗結果Tab.1 Experimental results

5 結論

a）設計了一款抗干擾能力強、可編程性強的基于PLC的螺桿擠出機控制系統。

b）通過PLC實現螺桿擠出機的數字量輸入輸出控制、模擬量數據采集、伺服電機轉速和位置控制等。

c）在硬件結構基礎上，采用模塊化思想對控制系統軟件進行了設計，并結合PID控制算法實現對螺桿擠出機溫度的精確閉環控制。

d）該控制系統能夠實現螺桿擠出機持續穩定可靠運行，并將料筒溫度誤差控制在±0.4 ℃以內。