雙螺桿擠出機(jī)電氣控制系統(tǒng)
1.引言
擠出機(jī)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(yīng)用于農(nóng)業(yè)、建材、包裝、機(jī)械、電子、汽車、家電、石化和國(guó)防，擠出機(jī)以及人們的日常生活等各個(gè)領(lǐng)域，塑料已是人類活動(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(shè)備具有重要意義。
雙螺桿擠出機(jī)是塑膠加工機(jī)械中的一種重要設(shè)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、炸藥、建材、包裝、紙漿、陶瓷等領(lǐng)域。擠出機(jī)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(bào)。但是，擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)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(nèi)停留時(shí)間減少會(huì)導(dǎo)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(wěn)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(tǒng)的精度必須提高，螺桿與機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)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(jī)工作過(guò)程的電氣自動(dòng)化控制也在不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的電氣控制都是分別采用單機(jī)自動(dòng)化儀表實(shí)現(xiàn)的，如今已發(fā)展到采用人機(jī)界面技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、變頻技術(shù)等構(gòu)成的觸摸屏、PLC、溫度控制模塊、變頻調(diào)速等組成的電氣控制系統(tǒng)。
2.擠出機(jī)的構(gòu)成
擠出機(jī)主要由螺桿、機(jī)筒、加熱冷卻系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。
2.1螺桿和機(jī)筒
螺桿是塑料機(jī)設(shè)備中最重要的零部件，它直接關(guān)系到塑料機(jī)塑化效果和產(chǎn)量。螺桿在料筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)工作是在高溫高壓大扭拒下進(jìn)行的，由于它要在轉(zhuǎn)動(dòng)中強(qiáng)力推動(dòng)物料前移，同時(shí)，它本身還要承受強(qiáng)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(qiáng)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(zhuǎn)過(guò)程中，主要靠螺棱對(duì)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(yīng)力和摩擦力，由于長(zhǎng)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(dǎo)致塑料擠出量降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生塑料回流，且塑化效果降低，出現(xiàn)晶粒和產(chǎn)能嚴(yán)重下降的現(xiàn)象。
熔融擠出的過(guò)程是將預(yù)混合好的物料從加料口進(jìn)入擠出機(jī)機(jī)筒，經(jīng)機(jī)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(xù)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聚集體，達(dá)到充分分散的目的。目前，應(yīng)用于粉末涂料中使用的擠出機(jī)設(shè)備于雙螺桿擠出機(jī)、單螺桿擠出機(jī)和星型螺桿擠出機(jī)等，雖然擠出機(jī)的類型、內(nèi)部構(gòu)造各不相同，但是設(shè)計(jì)目的是一致的，即最大限度的使物料均勻分散，因此擠出機(jī)的好壞直接決定物料的分散程度。
螺桿泵的工作原理：螺桿繞本身的軸線旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿襯套內(nèi)表面滾動(dòng)，形成了密封的腔室。螺桿每轉(zhuǎn)一周,密封腔內(nèi)的液體向前推進(jìn)一個(gè)螺距，隨著螺桿的連續(xù)轉(zhuǎn)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(tǒng)
擠出機(jī)的加熱冷卻系統(tǒng)是為了保證擠出機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，以及保持?jǐn)D出機(jī)有穩(wěn)定的工藝溫度。擠出機(jī)中機(jī)筒的加熱是為了使機(jī)筒受熱達(dá)到一定的溫度，冷卻是為了使高溫機(jī)筒把溫度降下來(lái)。在擠出機(jī)擠塑料生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)筒上有加熱和冷卻裝置交替工作，則使機(jī)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(nèi)，保證了擠出機(jī)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(jī)筒的熱傳導(dǎo)，所以擠出機(jī)必須要有足夠的加熱裝置功率。機(jī)筒的加熱方式，可采用電阻加熱，電感應(yīng)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(shè)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(jī)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(jī)來(lái)吹機(jī)筒需要降溫的部位，讓冷風(fēng)帶走機(jī)筒部分熱量，以達(dá)到機(jī)筒降溫目的。風(fēng)冷機(jī)筒的特點(diǎn)是機(jī)筒降溫的速度緩慢。機(jī)筒采用循環(huán)水冷卻降溫的速度較快，但長(zhǎng)時(shí)間使用容易結(jié)垢堵塞，因此若要使用水冷方式，應(yīng)該選用處理過(guò)的軟化水。
2.3傳動(dòng)系統(tǒng)
擠出機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)要為擠出機(jī)提供螺桿運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力，為了滿足工藝要求，對(duì)擠出機(jī)的動(dòng)力應(yīng)有以下幾個(gè)要求：
(1)螺桿能夠有足夠的轉(zhuǎn)矩；
(2)螺桿能夠從低速起動(dòng)，然后調(diào)至所需要的轉(zhuǎn)速，并且應(yīng)該是恒轉(zhuǎn)矩狀態(tài)；
(3)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速不波動(dòng)。
2.3.1主機(jī)
一臺(tái)擠出機(jī)主機(jī)由擠壓、傳動(dòng)、加熱冷卻三部分系統(tǒng)組成。
擠壓系統(tǒng)主要由螺桿和機(jī)桶組成，是擠出機(jī)的關(guān)鍵部分；
傳動(dòng)系統(tǒng)中起作用是驅(qū)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(zhuǎn)速；
加熱冷卻系統(tǒng)主要來(lái)保證物料和擠壓系統(tǒng)在成型加工中的溫度控制。
2.3.2輔機(jī)
擠出設(shè)備的輔機(jī)的組成根據(jù)制品的種類而定。一般說(shuō)來(lái)，輔機(jī)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(tǒng)
擠出機(jī)控制系統(tǒng)的主要作用，擠出機(jī)網(wǎng)www.jichuji.com是在擠出過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿轉(zhuǎn)速、機(jī)筒溫度和熔體壓力等工藝參數(shù)的控制。目前，以儀表控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)為主要選擇。兩者的功能分別為：溫度控制中儀表控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)兩控制，也可以采用智能儀表實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單比率控制，而PLC控制系統(tǒng)可以通過(guò)模擬量通信實(shí)現(xiàn)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(xiàn)閉環(huán)控制；前者的測(cè)試功能只有顯示功能，而后者可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試單元的串口通信。擠出機(jī)的控制系統(tǒng)主要由電氣、儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，其主要作用為：
(1)控制主、輔機(jī)的拖動(dòng)電機(jī)，滿足工藝要求所需的轉(zhuǎn)速和功率，并保證主、輔機(jī)能協(xié)調(diào)地運(yùn)行。
(2)控制主、輔機(jī)的溫度、壓力、流量和制品的質(zhì)量。
(3)實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)組的自動(dòng)控制。
(4)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。
2.5雙螺桿擠出機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)
1、螺桿公稱直徑。螺桿公稱直徑是指螺桿外徑，單位為mm。對(duì)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(jī)器的加工能力越大。
2、螺桿的長(zhǎng)徑比。螺桿的長(zhǎng)徑比是指螺桿的有效長(zhǎng)度與外徑之比。一般整體式雙螺桿擠出機(jī)的長(zhǎng)徑比是在7-18之間。對(duì)于組合式雙螺桿擠出機(jī)，長(zhǎng)徑比是可變的。從發(fā)展看，長(zhǎng)徑比有逐步加大的趨勢(shì)。
3、螺桿的轉(zhuǎn)向。螺桿的轉(zhuǎn)向有同向和異向之分。一般同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿擠出機(jī)多用于混料，異向旋轉(zhuǎn)的擠出機(jī)多用于擠出制品。
4、螺桿的轉(zhuǎn)速范圍。螺桿的轉(zhuǎn)速范圍是指螺桿的最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速(允許值)間的范圍。同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿擠出機(jī)可以高速旋轉(zhuǎn)，異向旋轉(zhuǎn)的擠出機(jī)一般轉(zhuǎn)速僅在0-40r/min。
5、驅(qū)動(dòng)功率。驅(qū)動(dòng)功率是指驅(qū)動(dòng)螺桿的電動(dòng)機(jī)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(jī)的工藝原理
2.6.1雙螺桿擠出機(jī)的控制啟動(dòng)步序
1.接通電源按工藝把溫控儀表調(diào)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(duì)料筒里的物料進(jìn)行軟化，然后把溫控儀表調(diào)到工藝要求的溫度進(jìn)行控制。
2.開(kāi)啟主機(jī)在開(kāi)啟主機(jī)時(shí)要注意電機(jī)的電流大小，如果電流過(guò)大，這時(shí)不能將速度調(diào)上去，要檢查料筒里的物料是否被軟化，或擠出機(jī)有沒(méi)有故障，一定要等到正常后，將速度調(diào)到制品所需要用的轉(zhuǎn)速進(jìn)行生產(chǎn)。
3.開(kāi)啟輔機(jī)喂料機(jī)、牽引機(jī)、切割機(jī)。
3.擠出機(jī)的系統(tǒng)框圖
其工作過(guò)程為：把觸摸屏中的設(shè)定值通過(guò)通信線路傳輸?shù)絇LC，同時(shí)機(jī)筒和模頭上的當(dāng)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(dāng)溫度值與設(shè)定植在PLC中進(jìn)行數(shù)值比較后，如果當(dāng)前值低于設(shè)定值，PLC就發(fā)出指令使PLC內(nèi)部相應(yīng)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(dāng)前溫度傳送到溫控模塊，溫控模塊也不斷地把數(shù)值傳送到PLC中進(jìn)行數(shù)值比較。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的加熱后，如果當(dāng)前溫度值高于設(shè)定值，PLC就發(fā)出指令，使得PLC內(nèi)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(duì)有冷卻風(fēng)機(jī)的，PLC同時(shí)發(fā)出指令使PLC內(nèi)部相應(yīng)的繼電器得電工作，使風(fēng)機(jī)通電工作。通過(guò)風(fēng)機(jī)冷卻，把機(jī)筒的當(dāng)前溫度降低。當(dāng)機(jī)筒溫度達(dá)到設(shè)定值以后，PLC發(fā)出指令，使內(nèi)部繼電器失電不工作，并使中間繼電器線圈失電不工作。由于中間繼電器斷開(kāi)，使冷卻風(fēng)機(jī)斷電停止工作。
PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多,概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用,還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法,它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn),直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)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(shù)的工程整定方法,主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn),其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn),然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)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(shù),都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)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(shù)的整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié),直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩,記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。
4.結(jié)束語(yǔ)
雙螺桿擠出機(jī)電氣控制系統(tǒng)由觸摸屏作為上位機(jī)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(yùn)用到的參數(shù)都可以通過(guò)觸摸屏來(lái)設(shè)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(jī)界面。可編程控制器PLC和變頻器正在被廣泛的應(yīng)用于雙螺桿擠出機(jī)的自動(dòng)控制上。上述這一些都是雙螺桿擠出機(jī)電氣控制系統(tǒng)的一個(gè)明顯的發(fā)展趨勢(shì)。
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