雙螺桿擠出機電氣控制系統分析
1.引言
擠出機由于三大合成材料之一的塑料問(wèn)世以來(lái)得到迅猛發(fā)展。以塑代鋼、以塑代有色金屬、以塑代水泥等，被廣泛地應用于農業(yè)、建材、包裝、機械、電子、汽車(chē)、家電、石化和國防，擠出機以及人們的日常生活等各個(gè)領(lǐng)域，塑料已是人類(lèi)活動(dòng)的最主要的原料之一。由于擠出成型是塑料加工的最主要的形式，因此發(fā)展塑料擠出成型技術(shù)與設備具有重要意義。
雙螺桿擠出機是塑膠加工機械中的一種重要設備，它已不僅僅適用于高分子材料的擠出成型和混煉加工，它的用途已拓寬到食品、飼料、電極、!@#$%^&*、建材、包裝、紙漿、陶瓷等領(lǐng)域。擠出機高速、高產(chǎn)，可使投資者以較低的投入獲得較大的產(chǎn)出和高額的回報。但是，擠出機螺桿轉速高速化也帶來(lái)了一系列需要克服的難點(diǎn)：如物料在螺桿內停留時(shí)間減少會(huì )導致物料混煉塑化不均，物料經(jīng)受過(guò)度剪切可能造成物料急驟升溫和熱分解，擠出穩定性控制困難會(huì )造成擠出物幾何尺寸波動(dòng)，相關(guān)的輔助裝置和控制系統的精度必須提高，螺桿與機筒的磨損加劇需要采用高耐磨及超高耐磨材質(zhì)，減速器與軸承在高速運轉的情況下如何提高其壽命等問(wèn)題都需要解決。
從整體上說(shuō)雙螺桿擠出理論的研究尚處于初始階段,這就是所說(shuō)的"技藝多于科學(xué)".；擠出機工作過(guò)程的電氣自動(dòng)化控制也在不斷發(fā)展，傳統的電氣控制都是分別采用單機自動(dòng)化儀表實(shí)現的，如今已發(fā)展到采用人機界面技術(shù)、計算機技術(shù)、變頻技術(shù)等構成的觸摸屏、PLC、溫度控制模塊、變頻調速等組成的電氣控制系統。
2.擠出機的構成
擠出機主要由螺桿、機筒、加熱冷卻系統、傳動(dòng)系統和控制系統等組成。
2.1螺桿和機筒
螺桿是塑料機設備中最重要的零部件，它直接關(guān)系到塑料機塑化效果和產(chǎn)量。螺桿在料筒內旋轉工作是在高溫高壓大扭拒下進(jìn)行的，由于它要在轉動(dòng)中強力推動(dòng)物料前移，同時(shí)，它本身還要承受強大的摩擦力和塑料分解腐蝕氣體的侵蝕，因而螺桿的材料必須具有很高的力學(xué)強度、承受巨大的扭力矩和高溫高壓條件下不變形的性能。
螺桿在旋轉過(guò)程中，主要靠螺棱對塑料進(jìn)行剪切塑化，并推動(dòng)塑料前移，因而螺棱承受巨大的剪切應力和摩擦力，由于長(cháng)期在苛刻條件下工作，螺棱磨損，螺棱變小，同料筒的間隙增大，導致塑料擠出量降低，嚴重時(shí)會(huì )產(chǎn)生塑料回流，且塑化效果降低，出現晶粒和產(chǎn)能?chē)乐叵陆档默F象。
熔融擠出的過(guò)程是將預混合好的物料從加料口進(jìn)入擠出機機筒，經(jīng)機筒第一段為加料段，物料在此階段不會(huì )熔融，隨螺桿傳動(dòng)，物料被帶入第二段為壓縮段，該段為加熱階段，物料開(kāi)始熔融，物料間的摩擦力增加，形成高粘體，繼續隨螺桿傳動(dòng)進(jìn)入高剪切的第三段為均化段，使它很有效分離顏料" target="_blank">顏料聚集體，達到充分分散的目的。目前，應用于粉末涂料中使用的擠出機設備于雙螺桿擠出機、單螺桿擠出機和星型螺桿擠出機等，雖然擠出機的類(lèi)型、內部構造各不相同，但是設計目的是一致的，即最大限度的使物料均勻分散，因此擠出機的好壞直接決定物料的分散程度。
螺桿泵的工作原理：螺桿繞本身的軸線(xiàn)旋轉的同時(shí)沿襯套內表面滾動(dòng)，形成了密封的腔室。螺桿每轉一周,密封腔內的液體向前推進(jìn)一個(gè)螺距，隨著(zhù)螺桿的連續轉動(dòng)，液體螺旋形方式從一個(gè)密封腔壓向另一個(gè)密封腔，最后擠出泵體。
2.2加熱冷卻系統
擠出機的加熱冷卻系統是為了保證擠出機能夠正常運轉，以及保持擠出機有穩定的工藝溫度。擠出機中機筒的加熱是為了使機筒受熱達到一定的溫度，冷卻是為了使高溫機筒把溫度降下來(lái)。在擠出機擠塑料生產(chǎn)過(guò)程中，機筒上有加熱和冷卻裝置交替工作，則使機筒工作時(shí)溫度恒定在一個(gè)擠出塑料化需要的工藝溫度范圍內，保證了擠出機正常擠塑制品成型生產(chǎn)的順利進(jìn)行。塑料的熔融主要依靠機筒的熱傳導，所以擠出機必須要有足夠的加熱裝置功率。機筒的加熱方式，可采用電阻加熱，電感應加熱或者用載熱體加熱。加熱的控制有位式控制和比例控制。位式控制比較簡(jiǎn)單，是開(kāi)關(guān)控制，總是全功率加熱或者切斷，溫度波動(dòng)大。比例控制是按照實(shí)際溫度和設定溫度差來(lái)自動(dòng)選擇加熱功率，因此熱慣性比較小，溫度波動(dòng)小。
機筒的冷卻方式可以采用風(fēng)冷和水冷，風(fēng)冷方法是用電動(dòng)風(fēng)機來(lái)吹機筒需要降溫的部位，讓冷風(fēng)帶走機筒部分熱量，以達到機筒降溫目的。風(fēng)冷機筒的特點(diǎn)是機筒降溫的速度緩慢。機筒采用循環(huán)水冷卻降溫的速度較快，但長(cháng)時(shí)間使用容易結垢堵塞，因此若要使用水冷方式，應該選用處理過(guò)的軟化水。
2.3傳動(dòng)系統
擠出機的傳動(dòng)系統要為擠出機提供螺桿運轉動(dòng)力，為了滿(mǎn)足工藝要求，對擠出機的動(dòng)力應有以下幾個(gè)要求：
（1）螺桿能夠有足夠的轉矩；
（2）螺桿能夠從低速起動(dòng)，然后調至所需要的轉速，并且應該是恒轉矩狀態(tài)；
（3）運轉平穩，轉速不波動(dòng)。
2.3.1主機
一臺擠出機主機由擠壓、傳動(dòng)、加熱冷卻三部分系統組成。
擠壓系統主要由螺桿和機桶組成，是擠出機的關(guān)鍵部分；
傳動(dòng)系統中起作用是驅動(dòng)螺桿，要保證螺桿在工作過(guò)程中具備所需要的扭矩和轉速；
加熱冷卻系統主要來(lái)保證物料和擠壓系統在成型加工中的溫度控制。
2.3.2輔機
擠出設備的輔機的組成根據制品的種類(lèi)而定。一般說(shuō)來(lái)，輔機由劑透定型裝置、冷卻裝置、牽引裝置、切割裝置以及制品的卷取或堆放裝置等部分組成。
2.4控制系統
擠出機控制系統的主要作用，是在擠出過(guò)程中實(shí)現對螺桿轉速、機筒溫度和熔體壓力等工藝參數的控制。目前，以?xún)x表控制系統、PLC控制系統為主要選擇。兩者的功能分別為：溫度控制中儀表控制系統可以實(shí)現開(kāi)關(guān)兩控制，也可以采用智能儀表實(shí)現簡(jiǎn)單比率控制，而PLC控制系統可以通過(guò)模擬量通信實(shí)現 PID（比率-積分-微分控制）控制；前者壓力控制顯示熔體壓力，而后者顯示熔體壓力并實(shí)現閉環(huán)控制；前者的測試功能只有顯示功能，而后者可以實(shí)現測試單元的串口通信。擠出機的控制系統主要由電氣、儀表和執行機構組成，其主要作用為：
（1）控制主、輔機的拖動(dòng)電機，滿(mǎn)足工藝要求所需的轉速和功率，并保證主、輔機能協(xié)調地運行。
（2）控制主、輔機的溫度、壓力、流量和制品的質(zhì)量。
（3）實(shí)現整個(gè)機組的自動(dòng)控制。
（4）進(jìn)行數據的采集和處理，實(shí)現閉環(huán)控制。
2.5雙螺桿擠出機的主要技術(shù)參數
1、螺桿公稱(chēng)直徑。螺桿公稱(chēng)直徑是指螺桿外徑，單位為ｍｍ。對于變直徑（或錐形）螺桿而言，螺桿直徑是一個(gè)變值，一般用最小直徑和最大直徑表示如：
65/130。雙螺桿的直徑越大，表征機器的加工能力越大。
2、螺桿的長(cháng)徑比。螺桿的長(cháng)徑比是指螺桿的有效長(cháng)度與外徑之比。一般整體式雙螺桿擠出機的長(cháng)徑比是在7-18之間。對于組合式雙螺桿擠出機，長(cháng)徑比是可變的。從發(fā)展看，長(cháng)徑比有逐步加大的趨勢。
3、螺桿的轉向。螺桿的轉向有同向和異向之分。一般同向旋轉的雙螺桿擠出機多用于混料，異向旋轉的擠出機多用于擠出制品。
4、螺桿的轉速范圍。螺桿的轉速范圍是指螺桿的最低轉速到最高轉速（允許值）間的范圍。同向旋轉的雙螺桿擠出機可以高速旋轉，異向旋轉的擠出機一般轉速僅在0-40r/min。
5、驅動(dòng)功率。驅動(dòng)功率是指驅動(dòng)螺桿的電動(dòng)機功率，單位為kw。
6、產(chǎn)量。產(chǎn)量指每小時(shí)物料的擠出量，單位為kg/h。
2.6雙螺桿擠出機的工藝原理
2.6.1雙螺桿擠出機的控制啟動(dòng)步序
1.接通電源按工藝把溫控儀表調到一定的溫度進(jìn)行加熱，等到溫度到了以后，要保溫3小時(shí)對料筒里的物料進(jìn)行軟化，然后把溫控儀表調到工藝要求的溫度進(jìn)行控制。
2.開(kāi)啟主機在開(kāi)啟主機時(shí)要注意電機的電流大小，如果電流過(guò)大，這時(shí)不能將速度調上去，要檢查料筒里的物料是否被軟化，或擠出機有沒(méi)有故障，一定要等到正常后，將速度調到制品所需要用的轉速進(jìn)行生產(chǎn)。
3.開(kāi)啟輔機喂料機、牽引機、切割機。
3.擠出機的系統
其工作過(guò)程為：把觸摸屏中的設定值通過(guò)通信線(xiàn)路傳輸到PLC，同時(shí)機筒和模頭上的當前溫度通過(guò)熱電偶傳送到溫控模塊進(jìn)行處理，再由溫控模塊傳送到 PLC中。當溫度值與設定植在PLC中進(jìn)行數值比較后，如果當前值低于設定值，PLC就發(fā)出指令使PLC內部相應的熱電器得電工作，并使接觸器得電工作。由于接觸器的閉合通電，使得加熱器通電加熱。在加熱過(guò)程中，熱電偶不斷地把當前溫度傳送到溫控模塊，溫控模塊也不斷地把數值傳送到PLC中進(jìn)行數值比較。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的加熱后，如果當前溫度值高于設定值，PLC就發(fā)出指令，使得PLC內部的繼電器、接觸器失電不工作。由于接觸器的斷開(kāi)，使得加熱器斷電不加熱。對有冷卻風(fēng)機的，PLC同時(shí)發(fā)出指令使PLC內部相應的繼電器得電工作，使風(fēng)機通電工作。通過(guò)風(fēng)機冷卻，把機筒的當前溫度降低。當機筒溫度達到設定值以后，PLC發(fā)出指令，使內部繼電器失電不工作，并使中間繼電器線(xiàn)圈失電不工作。由于中間繼電器斷開(kāi)，使冷卻風(fēng)機斷電停止工作。
PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數整定的方法很多,概括起來(lái)有兩大類(lèi)：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學(xué)模型,經(jīng)過(guò)理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用,還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調整和修改。二是工程整定方法,它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗,直接在控制系統的試驗中進(jìn)行,且方法簡(jiǎn)單、易于掌握,在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數的工程整定方法,主要有臨界比例法、反應曲線(xiàn)法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn),其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗,然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數,都需要在實(shí)際運行中進(jìn)行最后調整與完善?，F在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節,直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩, 記下這時(shí)的比例放大系數和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過(guò)公式計算得到PID控制器的參數。
4．結束語(yǔ)
雙螺桿擠出機電氣控制系統由觸摸屏作為上位機與M2雙回路自整定PID溫控模塊及PLC進(jìn)行通訊。其神奇之處在于所有運用到的參數都可以通過(guò)觸摸屏來(lái)設置和顯示。M2雙回路自整定PID溫控模塊是上海亞泰儀表有限公司生產(chǎn)的智能溫控模塊。觸摸屏給我們提供了一個(gè)友好的人機界面?？删幊炭刂破鱌LC 和變頻器正在被廣泛的應用于雙螺桿擠出機的自動(dòng)控制上。上述這一些都是雙螺桿擠出機電氣控制系統的一個(gè)明顯的發(fā)展趨勢。
- 上一篇：生物基材料雙螺桿擠出 2014/6/20
- 下一篇：擠出機一般故障及其排除方法 2014/6/20
