创新的挤出机智能控制系统

作者：广东联塑机器制造有限公司 蔡炳然 甄焕财

欢迎访问e展厅 展厅 2 塑料挤出机展厅 片材生产线, 单螺杆挤出机, 双螺杆挤出机, 板材生产线, 木塑挤出机, ... 广东联塑机器制造有限公司（以下简称“联塑公司”）针对塑料挤出加工过程，采用全新的控制理念研发了一套集过程精密控制、过程监测和故障诊断于一体的高性能挤出机智能控制系统。该系统的推广应用可使国产挤出设备实现快速升级，在加工性能方面堪比国际高端挤出设备，而整机成本却更低。 当前挤出控制存在的问题 挤出机主要由挤出单元（包括料斗、料筒和螺杆等）、驱动单元（电动机）、挤出模头和控制单元等几部分构成。挤出加工过程的关键参数通常是料筒温度和螺杆转速，它们需要得到很好的控制。 料筒温度控制 国外利用基于过程知识的控制方法来处理对挤出过程的料筒温度控制，例如利用模糊控制的方法和专家系统的方法等。这些方法可以有效地控制启动阶段，从而达到缩短启动时间并保证控制稳定性的目的。但这类方法很大程度依靠对某特定加工过程的丰富经验知识，一旦遇到不熟悉的过程，例如遇到某种特殊的新材料或完全不同大小的机器等，控制器的设计将存在一定的难度。 在稳定生产阶段，要得到良好的产品质量，要求保证过程变量的足够稳定。国外研发人员提出了双目标预测控制的方法，引用折衷参数来兼顾输入和输出，目的是在既保证产品质量的同时又保证一定的生产率。利用这种方法，如何合理地给出设定目标会是个潜在问题。变结构控制的方法也被用于控制料筒温度，以解决加热与冷却特性不同的问题。但是这种方法的加温、冷却在一直切换，有时候在加温的同时，冷却也在进行，而且温度控制精度也不高。机筒内塑料材料由于受到螺杆的剪切作用会引起剪切热，事实上，使材料熔化的很大一部分热量就是来源于剪切热。由于材料的黏度决定了挤出机的输出率和产品质量，黏度又可以反映在熔体的流动特性上，而挤出机模头的温度和压力是影响熔体流动的重要参数，所以，有学者通过控制模口的温度和压力来达到控制熔体流动的目的，他们的控制器包括了一个串级的温度控制和一个基本的压力PID反馈控制，但是压力控制结果精度不是很高。现代生产中，随着挤出量增加的要求，螺杆的转速越来越高速化，其产生的剪切热也大量增加。如果此时还沿用一般的温度控制方法，将会导致料筒温度超过设定值，而需要开启风冷或水冷装置进行冷却，显然这样耗费了多余的能量。 螺杆转速控制 在挤出过程中，产品的挤出速度是一个极其关键的参数，它决定了挤出产品尺寸、单位面积重量和厚度，以及单位长度的重量等质量指标的稳定性。传统的控制策略是通过控制挤出螺杆的转速恒定，来达到控制产品挤出速率的目的。在螺杆转速控制方法上，国内外一般采用开环控制，也就是通过直接控制驱动电动机的转速来间接控制螺杆转速。为了能够更稳定地控制电动机转速，所有国外高端挤出机都采用了高精度的伺服电动机，可以说，伺服电动机的性能直接决定了挤出机的稳定性。但是，由于高精度的伺服电动机价格十分昂贵，所以高端挤出机的价格也一直居高不下。另外，为了获得稳定的流体输出，齿轮泵也被引入帮助消除意外的波动来获得平稳的熔体输出。采用齿轮泵虽然能够准确调整熔体压力，但同样存在价格相对昂贵而且使用复杂的问题。 联塑对挤出机过程控制的创新 将螺杆转速选为控制对象，通过控制螺杆转速是否能保证挤出速度的稳定呢？联塑公司的研发团队在多年的研究中发现，由于机筒内物料的黏度不可避免的存在一定的波动，而不同黏度流体的流动特性又是不同的，因此即使控制螺杆的转速恒定不变，也不能精确保证挤出速度的稳定。实际上，与挤出速度直接相关的是挤出模头的熔体压力，因为熔体是在这个压力的作用下而被挤出的，所以直接选用模头压力作为控制对象，替代传统的螺杆转速控制，能够起到进一步提高挤出产品质量稳定性的作用，同时还可以降低挤出机对高性能驱动电动机的依赖，从而降低高端挤出机的成本。这正是联塑公司在挤出控制系统上的一大创新。 联塑公司开发的新型挤出机控制系统的整体架构如图1 所示， 图2 是与之相对比的传统挤出机控制系统架构。从中可以看出，创新型挤出机控制系统通过实施精准的温度控制和模头压力控制，使挤出过程具有更高的智能化和准确性。 温度控制 物料由玻璃态转化为熔融态所需热量来源于两种热源，一种是由电加热器提供的外加热，另一种是由螺杆在旋转过程中对物料挤压、摩擦和剪切产生的热量。在开机启动阶段，物料的熔化单纯靠外加热，这段时间的控制要求快速，即料筒温度很快从室温升到所需要的加工温度，以提供给物料足够的热能。同时，料筒温度又不能出现很大的超调，否则一些热敏材料可能会存在降解的危险。温升时间和超调量是相互矛盾的两个指标，必须找到一个折衷点。联塑公司在多年的研究中，曾针对注塑机的料筒温度研发了一个最优的温度启动段控制策略，这个策略已经理论证明是在没有超调前提下温升时间最短的控制方案，并在注塑机温度控制上得到了成功的验证。因为挤出机料筒配有冷却装置（水冷、油冷或风冷），所以采用该方法可以实现比注塑机时间更短的启动控制。 挤出机料筒一般分为多段，每段由独立的电加热圈加热、由独立的冷却装置冷却，并靠热电偶进行测温。由于各段之间的温控具有很强的耦合作用，如果对各段温度采用单回路的控制方案，那么对一段温度的调节会对相邻段有较大影响，结果会导致过程的震荡加大，不容易稳定。因此，采用多变量的控制结构，对各段实现很好的解耦是该系统的一个更优选择。 预测控制是一种基于模型的先进控制技术，它是20世纪70年代中后期在欧美工业领域内出现的一种计算机控制方法。预测控制的主要特征是以预测模型为基础，采用二次在线滚动优化性能指标和反馈校正的策略，来避免受控对象受到建模误差和结构、参数与环境等不确定因素的影响。预测控制基于自身的优点，已经被广大专家学者证明了对模型误差具有较强的鲁棒性，适合控制温度这一类滞后较大的过程对象。这种控制器也相对比较容易设计成多变量的结构，所以联塑公司为该系统研发了基于多变量模型预测控制技术的温度控制系统，其系统框图如图3所示。 模头压力控制 正如上面所说，传统的控制挤出螺杆转速恒定的策略并不能确保挤出速度的稳定。为此，联塑公司采取了一种新颖的控制策略，即选择模头压力为被控对象，并将调节变量作为螺杆旋转电动机的驱动信号。模头压力直接决定了挤出速度，不论物料的黏度如何波动，只要保证了挤出压力的稳定，就可以保证产品质量的稳定。鉴于模型预测控制方法较传统控制方法的优势，联塑公司引用的压力控制器仍是基于模型预测控制方法设计出来的，其系统框图如图4所示。 结语 联塑公司针对塑料挤出加工过程研发的这套集过程精密控制、过程监测和故障诊断于一体的高性能挤出机智能控制系统，采用全新的控制理念，利用国际领先的控制技术对料筒温度进行高精度控制，同时利用模头压力控制取代传统的螺杆转速控制。采用模头压力控制不仅降低了高端挤出机对高性能电动机的要求，从而降低了成本，而且进一步保证了挤出产品质量的稳定性。系统还集成了国际领先的过程监测技术，能够及时准确地发现过程异常状态，并进行故障诊断，从而提高生产效率、降低浪费。该系统整体架构上采用嵌入式系统设计，运算能力强且性能稳定。

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