關(guān)鍵詞：溫度控制器 成型系統(tǒng) 塑料機(jī)械

1 引 言

    塑料制品在生產(chǎn)生活中無處不在,對應(yīng)的塑料生產(chǎn)設(shè)備也多種多樣,由于塑料的物理化學(xué)特性是由加工過程中的“三要素”決定的，即“溫度、壓力、時間”中的3個參數(shù)如配合不當(dāng)，是難以達(dá)到期望的理化性能的，其中溫度這個參數(shù)是比較重要的，因此大多數(shù)塑膠制品設(shè)備都離不開溫度控制器。下面以塑料擠出機(jī)為例介紹臺達(dá)溫控的應(yīng)用. 塑料擠出機(jī)有單螺桿式和雙螺桿式之分, 主要用于擠制軟、硬聚氯乙烯、聚乙烯等熱塑性塑料之用，與相應(yīng)的輔機(jī)（包括成型機(jī)頭）配合，可加工多種塑料制品，如膜、管、棒、板、絲、帶電纜絕緣層及中空制品等。塑膠擠出機(jī)如圖1所示，一臺擠出機(jī)使用多個DTA溫控器控制加熱，并且每個加熱器上都對應(yīng)配置了一組散熱風(fēng)扇或者水冷裝置以調(diào)節(jié)溫度，圖2和圖3示出了各種各樣的臺達(dá)溫度控制器。

圖1 塑料擠出機(jī)

圖2 溫度控制器（1） 圖3 溫度控制器（2）

2 塑料加工的溫度控制

    基于塑膠原材料特性，要求被控制的溫度不能超過設(shè)定溫度正負(fù)2攝氏度，溫度過低擠出口出料不暢，造成前端擠出機(jī)構(gòu)負(fù)載過大；溫度過高則可能改變原料特性導(dǎo)致在制品報廢。現(xiàn)場觀察表明，如果控制方式選擇較為容易操作的ON-OFF方式，會造成大幅度的振蕩，如圖2所示，控制溫度將產(chǎn)生上下至少3度的誤差，因此，簡單開關(guān)控制方式是不可取的。 一般選擇PID控制方式，但是要注意，如果使用通常的自整定方式來取得P、I、D值反而會造成精度誤差更大，原因是DTA溫控器不支持雙輸出的功能，所以只可單選加熱，擠出機(jī)上方配備的冷卻風(fēng)扇則是利用DTA的警報輸出來觸發(fā),作為冷卻輸出。而DTA 的自整定，必須在自然冷卻或者冷卻方式相對恒定的環(huán)境下進(jìn)行，而利用警報來做冷卻控制,實際已經(jīng)變成突發(fā)事件,超出正常情形，這樣會造成降溫時間及振蕩周期變短，如I值對應(yīng)為（振蕩周期/2），則I值因此會變小，將造成更加劇烈的振蕩。

圖4 開關(guān)控制與PID控制的比較

    在參數(shù)整定過程中應(yīng)注意：（1）不使用自整定，手動輸入P、I、D值，因為P、I、D三個參數(shù)在出廠時已調(diào)整為默認(rèn)值，P=47.6，I=260，D=41，可能造成加熱速度較慢，但控制的精度也將相對地提高，只要不是在溫度變化急劇的環(huán)境中（ 5秒中變化100度），該出廠值是可以達(dá)到控制要求的。值得注意的是該設(shè)備以出廠設(shè)定值即可達(dá)到所需工況的要求，反倒是執(zhí)行自整定往往得到不正確的參數(shù)，造成溫度的上下振蕩。如果加快溫度上升的速度，應(yīng)適當(dāng)將P值調(diào)小。.（2）塑料設(shè)備上冷卻速度非常慢，所以超溫時利用警報輸出來觸發(fā)風(fēng)扇加速冷卻，注意DTA中使用警報徑行風(fēng)扇冷卻，須將ALARM范圍設(shè)定的較大（如，在超出4度時才執(zhí)行），因為除非異常情形，平時溫度是不易超出該范圍的，如果ALARM設(shè)定過小（比如1度），超出設(shè)定值會造成冷卻速度太快，也會產(chǎn)生溫度振蕩。
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3 PID控制與參數(shù)調(diào)整

    控制器的P值其實就是比例控制增益，I值對應(yīng)積分時間（Ti），D值對應(yīng)微分時間（Td）。P值指的是比例增益（如圖4所示），若是P設(shè)定為20，SV（目標(biāo)溫度）設(shè)定為150度，在150-20=130度之前，輸出將以全輸出的方式來執(zhí)行控制，所以若是將P值調(diào)整的太小，將會產(chǎn)生溫度加熱過高的情形。出廠值P為47.6，若欲達(dá)到溫度為100度，則在100-47.6=52.4度時即加上比例控制輸出量，所以除非加熱速度很快，否則不會造成上下振蕩的情形。
根據(jù)自動控制原理，控制器輸出量是P、I和D參數(shù)及系統(tǒng)誤差e的函數(shù)，而e = PV（系統(tǒng)輸出值） ? SV（系統(tǒng)設(shè)定值），當(dāng)系統(tǒng)輸出值溫度等于系統(tǒng)設(shè)定溫度時，系統(tǒng)誤差e值即為零，此時P控制中即無輸出量，P無輸出量是無法將溫度一直保持在設(shè)定值的，此時便需利用積分I控制來執(zhí)行補償?shù)膭幼鳌值指的是積分量，輸出量=P量+I量+D量，但當(dāng)未進(jìn)入比例控制時，是不執(zhí)行I控制的，因這時系統(tǒng)已是全輸出狀態(tài)，I量是無法再增加上去的。

圖5 PID控制的輸出響應(yīng)

    如圖5所示，積分動作觸發(fā)時機(jī)為溫度先由上升至反轉(zhuǎn)下降的時候，在加熱開始時，原本溫度即會產(chǎn)生超調(diào)的現(xiàn)象，若是該時刻再增加積分量，那么溫度也就超過得更多了。因此當(dāng)啟動積分動作時，Ti值愈小積分量愈大，反之，Ti值愈大則計算的積分量則愈小。因此出廠的I默認(rèn)值為260，是為避免積分量太大造成加熱溫度過高。

圖6 積分調(diào)節(jié)的響應(yīng)

    如圖7所示，I值的是由（周期時間/2）計算取得的，塑機(jī)中的溫度下降速度（不啟動風(fēng)扇）是相當(dāng)緩慢的，所以I值將相當(dāng)?shù)拇螅衫蔑L(fēng)扇加速風(fēng)扇的冷卻，此時周期時間將大大縮短，I值相對地也大大地變小了，于是振蕩情形會更加劇烈。

圖7 積分調(diào)節(jié)產(chǎn)生的振蕩情形

    D值指的是微分量，當(dāng)系統(tǒng)溫度產(chǎn)生變化時，將啟動D量控制。若在加熱系統(tǒng)中，溫度快速下降，此時U（輸出量）=P量+I量+D量，相反若系統(tǒng)中溫度快速上升，此時U（輸出量）=P量+I量-D量，因此D量是用來控制溫度急劇變化時，使之作出快速反應(yīng)以減少和設(shè)定值的誤差。D值愈大時，反應(yīng)速度愈快，反之，D值愈小，反應(yīng)速度愈慢，如圖8所示。如果D值設(shè)定過大，只要溫度一產(chǎn)生變化就作出快速反應(yīng)，反倒可能造成振蕩，若D值設(shè)定非常大時，只要溫度略有變化系統(tǒng)輸出會急劇改變，甚至產(chǎn)生發(fā)散現(xiàn)象而無法控制。

圖8 微分調(diào)節(jié)時的系統(tǒng)響應(yīng)

4 結(jié)束語

    上述粗略討論了臺達(dá)溫度控制器在擠出機(jī)中的應(yīng)用，歸納起來在使用中值得注意的有以下方面：使用 DTA中的警報輸出作為冷卻控制，執(zhí)行自我整定（Auto Tuning）的動作所測得的PID值是不正確的；在執(zhí)行自整定的系統(tǒng)中，建議先整定功能，如控制效果不好才以手動調(diào)整PID參數(shù)；。出廠時的PID參數(shù)適用于大部份的系統(tǒng)，系統(tǒng)能穩(wěn)定運行，但到達(dá)設(shè)定值的時間略長；OMRON控制中是全輸出方式，當(dāng)溫度超過設(shè)定值1-2度即啟動風(fēng)扇急速降溫，因此溫度會振蕩，風(fēng)扇啟動頻繁，會增加能源消耗；DTA的PID控制中，溫度一般在設(shè)定值容許范圍內(nèi)變化，風(fēng)扇幾乎不動作，在系統(tǒng)運行中因原料的流動，可控制在正負(fù)2-3度的范圍內(nèi)。由于DTB和DTC系列中因提供雙輸出功能，可直接執(zhí)行整定功能，或直接以出廠的PID值運行，同樣可達(dá)到正負(fù)2度的精度要求。
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