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)硬件簡單、控溫精度高、性能穩(wěn)定，具有較高的實用價值。
關(guān)鍵詞: 溫度控制；現(xiàn)場總線；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。對于分離儀表控制方案，雖然具有價格低的優(yōu)勢，但在控制功能上受到很多限制,主要體現(xiàn)在對各分離單元單獨(dú)進(jìn)行控制,整個系統(tǒng)無法實施綜合控制，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)溫度波動較大,影響了塑料制品的加工質(zhì)量。對于PLC集中控制方案，雖然能對整個系統(tǒng)實施綜合控制，但是要編寫多回路的PID控溫算法實現(xiàn)難度大，占用CPU的資源多，一旦溫區(qū)超過8個則難以實現(xiàn)高精度的溫度控制。如果采用高級別的CPU構(gòu)建系統(tǒng)，則價格昂貴，性價比低。針對以上情況,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)硬件簡單、控溫精度高、性能穩(wěn)定，具有較高的實用價值。該系統(tǒng)可以匹配多類型低級別的PLC，具有控溫精度高、硬件簡單、價格低、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點。
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。以西門子S7-300的PLC構(gòu)成16個溫區(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路開關(guān)量的輸出模塊，CPU314是西門子的中檔CPU，它作為多回路PID的控制核心。由于考慮到每個溫區(qū)有可能存在加熱和冷卻的需要，所以系統(tǒng)配置兩個SM331，兩個SM322，構(gòu)成16路溫度輸入、32路開關(guān)量輸出的控制系統(tǒng)（其他的開關(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，則對于純滯后大慣性的控制對象，難以達(dá)到理想的效果；如果自己編寫專用的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個左右）存在價格升高、控制精度下降的缺點。
以多回路PID溫度控制智能模塊為核心，匹配低級別PLC構(gòu)建塑料擠出機(jī)溫度控制系統(tǒng)是一個多溫區(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、冷卻開關(guān)量輸出，因此只需要配置4個模塊。各模塊可獨(dú)立的控制對應(yīng)回路的溫度值，CPU只需通過現(xiàn)場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可采用西門子的低檔系列S7-200的CPU-226，系統(tǒng)硬件和軟件大大簡化，系統(tǒng)的價格大幅下降（僅為原系統(tǒng)價格的三分之一），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。通過與支持MODBUS現(xiàn)場總線協(xié)議的上位機(jī)連接最大可擴(kuò)展從機(jī)128個，即實現(xiàn)512個溫區(qū)的控制。值得一提的是該控制模塊的PID算法是針對純滯后、大慣性對象而開發(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獨(dú)立的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，在一個采樣周期內(nèi), 溫度傳感器（熱電偶）將檢測到的料筒與機(jī)頭溫度信號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)過脈寬調(diào)制，最后得到繼電器在一個采樣周期中的導(dǎo)通時間。通過控制繼電器在一個采樣周期中的導(dǎo)通時間即可控制加熱器的加熱時間，或者冷卻風(fēng)機(jī)的工作時間，從而達(dá)到精確控制溫度的目的。四個回路獨(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,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)偏差的變化趨勢來產(chǎn)生控制作用,它可以改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。積分調(diào)節(jié)根據(jù)偏差積分的變化來產(chǎn)生控制作用,對系統(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)偏差較大時會產(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) 實際溫度低于T1 時,為加快響應(yīng)速度,全功率加熱。
2) 實際溫度位于[ T1～T2 ]范圍內(nèi)時,為避免積分飽和,分離積分項,采用PD 控制。
3) 實際溫度位于[ T2～T3 ]范圍內(nèi)時,采用PID 控制。
4) 實際溫度位于[ T3～ T4 ]范圍內(nèi)時,采用模糊自適應(yīng)PID 控制。
5) 實測溫度大于T4 時,接通風(fēng)扇電源,強(qiáng)制制冷。
其中T1、T2、T3、T4可以通過組合參數(shù)的設(shè)定配置給模塊，也可以由模塊來自動的整定，這種控制策略不僅考慮了實測溫度和設(shè)定溫度的偏差,而且考慮了實測溫度的變化趨勢,可減少超調(diào)和波動,具有很靈活的自適應(yīng)效果。實際的溫度曲線如圖4示。
圖4.實測的控溫曲線
五、結(jié)束語
本文提出了一種性價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。
