TrustPLCCTSC-200PLC在擠出吹塑成型控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要：本文介紹擠出吹塑成型的工藝過程，根據(jù)擠出吹塑成型工藝，結(jié)合CTSC200系列PLC的特點，描述了擠出吹塑成型控制系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，重點突出CTSC200系列PLC在擠出吹塑成型系統(tǒng)中使用的優(yōu)勢。
一、引言
隨著石化工業(yè)的發(fā)展，人類日常生活及各行業(yè)對塑料制品的需求日益增長，極大地推動了塑料工業(yè)的發(fā)展。 目前，塑料已廣泛應(yīng)用于機械、電子、醫(yī)藥、家用電器、食品、汽車及人類日常生活用品之中，尤其近年來隨著人類生活水平的提高、消費意識的變化以及旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中空制品已廣泛用來盛裝礦泉水、可樂等軟性飲料，還包括奶瓶、藥瓶、化妝品瓶等。
擠出吹塑成型機是中空容器成形的主要設(shè)備，世界上80%至90%的中空容器是采用擠吹成形的。在我國中空塑料成型機的發(fā)展歷程中，擠出吹塑成型機是發(fā)展最快最完善的中空塑料成型機，特別是小型擠出吹塑成型機的發(fā)展速度特別快。
近年來，擠出吹塑成型的主要技術(shù)趨勢是朝著自動化、智能化、高精度和高速度的方向發(fā)展。因此，要適應(yīng)該行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢，就必需提高擠出吹塑成型的整體技術(shù)含量，其中就包括擠出吹塑成型的控制系統(tǒng)。
本文描述的擠出吹塑成型控制系統(tǒng)核心采用TrustPLC® CTSC-200系列高性能小型PLC，CTSC-200 PLC采用了32位高性能RISC芯片技術(shù)和軟件優(yōu)化設(shè)計，布爾指令執(zhí)行速度達到0.15μs每步，浮點運算速度高達8μs，開關(guān)量點數(shù)多達248點，模擬量點數(shù)多達56點，擴展I/O模塊種類近30種，因而無論是替代傳統(tǒng)繼電器完成簡單控制，還是應(yīng)用于特殊場合實現(xiàn)復(fù)雜控制，無論是快速的離散量順序處理，還是復(fù)雜的運動控制，CTSC-200 PLC都游刃有余。CPU內(nèi)嵌自整定PID溫控算法，也有專門為溫度控制應(yīng)用而量身訂制的內(nèi)置PID溫控算法的PID溫控擴展模塊，用戶無需編程即可實現(xiàn)復(fù)雜的閉環(huán)溫度控制，動態(tài)性能出色。
另外其針對電子尺推出的高速輸入模塊精度高達16位，單通道轉(zhuǎn)換時間小于200us，而且模塊本身提供1路10VDC電源輸出，極大的方便了基于電子尺的應(yīng)用。
高性能的CPU、智能PID模塊加上高速輸入模塊等組合使用，大大提高擠出吹塑成型機的性能。
二、擠出吹塑成型工藝過程
擠出吹塑機是擠出機與吹塑機和合模機構(gòu)的組合體，由擠出機及型坯模頭﹑吹脹裝置﹑合模機構(gòu)﹑型坯厚度控制系統(tǒng)和傳動機構(gòu)組成。其工藝過程如下：
1．塑料的擠出
塑料加熱熔化后塑煉和混合均勻成流體，再以一定的壓力和容量擠入機頭。
2．型坯的形成
機頭內(nèi)的流體在重力和擠出壓力的作用下，通過機頭口模擠出形成所需的型坯。
3．型坯的吹脹
將達到要求長度的型坯置于吹塑模具內(nèi)合模，由模具上的刃口將型坯切斷，通過模具上的進氣口輸入一定壓力的氣體吹脹型坯，使制品和模具內(nèi)表面緊密接觸。
4．制品的冷卻
保持模具型腔內(nèi)的氣壓，等待制品冷卻定型。
5．制品的脫模
冷卻定型完成后，打開模具，由機械手將制品取出。
在吹塑過程中，型坯的形成和吹脹是吹塑過程的核心，型坯形成和吹脹質(zhì)量的高低直接影響著容器制品的質(zhì)量好壞，而熔料的受熱溫度、擠出壓力和和冷卻時間將直接影響型坯的成型和吹脹質(zhì)量。型坯壁厚在吹氣成型過程中若沒有得到有效控制，冷卻后會出現(xiàn)厚薄不均的狀況，胚壁產(chǎn)生的應(yīng)力也不同，薄的位置容易出現(xiàn)破裂。因此，控制型胚壁厚對于提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本也同樣重要。
綜上所述，如何控制擠出機的受熱溫度、擠出壓力、制品的冷卻時間以及型胚壁厚成為影響容器制品質(zhì)量的幾個關(guān)鍵因素。
三、控制系統(tǒng)設(shè)計
3.1 系統(tǒng)原理及配置
粒狀或粉狀的塑料經(jīng)擠出機塑化達熔融狀態(tài)，通過采集電子尺數(shù)據(jù)，反饋控制擠出熔料量，使熔料通過預(yù)定流速進入機頭。當(dāng)儲料量達預(yù)定值時，機頭口模打開，并根據(jù)設(shè)定的型坯壁厚曲線，調(diào)節(jié)模芯進行型坯壁厚控制。然后，將完成的制品型坯置于吹塑模腔內(nèi)，模具按照設(shè)定的速度進行合模，合模時要求運動平穩(wěn)，左右平衡。合模后進行吹氣，型坯在氣體壓力的作用下緊貼模具內(nèi)壁，保持壓力冷卻定型后開模，由機械手取出制品。
系統(tǒng)電氣控制部分的主要配置如下：
1）控制器采用TrustPLC CTSC-200 PLC進行動作控制和50點型坯壁厚控制。
2）溫度的測量采用工業(yè)鎧裝熱電偶。溫度采集由CTSC-200系列的8路熱電偶模塊CTS7 231-7TF32 完成，該模塊集成控制器帶智能PID算法，只要設(shè)置幾個參數(shù)，231-7TF32模塊就可以自行對所控溫區(qū)進行加熱或冷卻，并將實時溫度反饋給CPU。
3）擠出壓力控制由模擬量輸入模塊采集壓力傳感器的信號來控制擠出機螺桿的轉(zhuǎn)速，周時將實時壓力顯示在觸摸屏上。
4）壁厚控制由231-7HC32高速輸入模塊采集型坯長度和模芯間隙的電子尺反饋信號，然后通過4通道模擬量輸出模塊232-0HF22控制執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動伺服閥來實現(xiàn)。
5）操作面板采用觸摸屏完成整機的型坯溫度、擠出壓力、型坯壁厚以及冷卻時間等各種工藝參數(shù)的設(shè)定、修改、畫面顯示等，采用菜單式程序控制，操作簡便可靠。
3.2 溫度控制系統(tǒng)
在擠出吹塑的過程中，要使熔料溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度，所以同時配有加熱和冷卻設(shè)備，常用的是電阻加熱和風(fēng)扇冷卻。
擠出機的溫度控制由PID模塊CTS7 231-7TF32獨立完成。CTS7 231-7TF32模塊集成智能PID控制器，具有8路熱電偶輸入，控制過程的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)存儲區(qū)與CPU交換，控制精度達到±1℃。將初始PID參數(shù)和設(shè)定溫度送給該模塊，使能該模塊的PID控制，模塊便將熱電偶所測得的溫度送給PID控制器進行運算，然后將實時溫度和運算得出的控制動作寫入數(shù)據(jù)存儲區(qū)，同時對PID三個控制環(huán)節(jié)的參數(shù)進行優(yōu)化。CPU根據(jù)數(shù)據(jù)存儲區(qū)中的值來控制輸出(PWM模式下輸出給DO點，模擬量模式下輸出給AO)，實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制 。PID參數(shù)的設(shè)置、溫度設(shè)定、啟?？刂?、實時溫度、溫度曲線都在觸摸屏上實現(xiàn)。
溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：
3.3 壓力控制系統(tǒng)
擠出壓力對于熔料的流變性能來說也是重要的影響因素，如果擠出工藝穩(wěn)定，加工溫度和螺桿速度不變，黏度是一個常數(shù)。根據(jù)黏性流體的流動方程式可知，擠出機的擠出量與螺桿轉(zhuǎn)速成正比，而機筒壓力成反比。 因此，控制好擠出壓力是型壞形成質(zhì)量的重要保障。壓力控制系統(tǒng)如圖所示，圖中所示壓力控制是一個閉環(huán)系統(tǒng)，將壓力傳感器反饋的數(shù)據(jù)和所需的壓力進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整擠出機的螺桿轉(zhuǎn)速。
3.4 型坯壁厚控制
中空容器制品因其強度要求規(guī)定了最小壁厚，而早期的中空吹塑成型設(shè)備缺少型坯壁厚控制系統(tǒng)，為使制品最薄處達到最小壁厚要求，制品的其它部位就要相應(yīng)加厚，造成材料的浪費。為了節(jié)省成本、縮短制品冷卻時間、加快制品生產(chǎn)周期，一種比較經(jīng)濟的做法就是控制型坯壁厚。熔料從口模擠出處于黏流態(tài)流動一段時間，由于原材料特性、擠出溫度和擠出流量隨時間變化呈非線性變化，所以型坯在擠出過程中，型坯壁厚發(fā)生變化。為使擠出吹塑制品滿足壁厚要求，必須采取有效措施控制型坯壁的厚度。
壁厚控制系統(tǒng)是對模芯縫隙的開合度進行控制的系統(tǒng)，也即位置伺服系統(tǒng)，它由控制器、電液伺服閥、動作執(zhí)行機構(gòu)和作為位置反饋的電子尺構(gòu)成。當(dāng)機頭口模打開時，PLC讀取機筒電子尺反饋的型坯長度，然后根據(jù)型坯壁厚曲線，通過模擬量輸出模塊輸出±10V的電壓信號給電液伺服閥，伺服閥直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)控制模芯上下移動，調(diào)整口模與芯模的間隙來完成口模開度的控制，進而完成型坯壁厚的閉環(huán)控制。此時，壁厚型坯設(shè)定采用數(shù)字化方式，通過操作面板完成50點型坯壁厚控制的設(shè)定，型坯壁厚曲線的縱坐標顯示型坯長度，橫坐標顯示口模開度。
3.5 冷卻時間控制
在整個吹塑成形的過程中，冷卻時間是控制制品的外觀質(zhì)量、性能和生產(chǎn)效率的一個重要的工藝參數(shù)?？刂七m當(dāng)?shù)睦鋮s時間可防止型坯因彈性回復(fù)而引起的形變，使制品外形規(guī)整，表面圖文清晰，質(zhì)量優(yōu)良。但是，如果冷卻時間過長，那么就會造成因制品的結(jié)晶度增加而降低韌性和透明度，生產(chǎn)周期延長，生產(chǎn)效率降低。如果冷卻時間過短，那么所吹制的容器會產(chǎn)生應(yīng)力而出現(xiàn)孔隙，影響制品質(zhì)量。因此，在擠出吹塑中需要對冷卻時間做較精確的控制。
四、 應(yīng)用實例
廣東某機械實業(yè)有限公司是擠出吹塑中空成型機的專業(yè)制造廠家，其高端吹瓶機的控制核心采用運算速度非常快的TrustPLC CTSC-200系列CPU，配合高速的模擬量輸入模塊和智能PID溫控模塊，整個控制系統(tǒng)具有非常高的控制效率，精度高、速度快，在同類產(chǎn)品中脫穎而出，傲立潮頭。
TrustPLC CTSC-200系列PLC產(chǎn)品在該公司使用已有較長時間，在為該公司提高產(chǎn)品綜合性能的同時，也為他們節(jié)約了大量的成本。
一、引言
隨著石化工業(yè)的發(fā)展，人類日常生活及各行業(yè)對塑料制品的需求日益增長，極大地推動了塑料工業(yè)的發(fā)展。 目前，塑料已廣泛應(yīng)用于機械、電子、醫(yī)藥、家用電器、食品、汽車及人類日常生活用品之中，尤其近年來隨著人類生活水平的提高、消費意識的變化以及旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中空制品已廣泛用來盛裝礦泉水、可樂等軟性飲料，還包括奶瓶、藥瓶、化妝品瓶等。
擠出吹塑成型機是中空容器成形的主要設(shè)備，世界上80%至90%的中空容器是采用擠吹成形的。在我國中空塑料成型機的發(fā)展歷程中，擠出吹塑成型機是發(fā)展最快最完善的中空塑料成型機，特別是小型擠出吹塑成型機的發(fā)展速度特別快。
近年來，擠出吹塑成型的主要技術(shù)趨勢是朝著自動化、智能化、高精度和高速度的方向發(fā)展。因此，要適應(yīng)該行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢，就必需提高擠出吹塑成型的整體技術(shù)含量，其中就包括擠出吹塑成型的控制系統(tǒng)。
本文描述的擠出吹塑成型控制系統(tǒng)核心采用TrustPLC® CTSC-200系列高性能小型PLC，CTSC-200 PLC采用了32位高性能RISC芯片技術(shù)和軟件優(yōu)化設(shè)計，布爾指令執(zhí)行速度達到0.15μs每步，浮點運算速度高達8μs，開關(guān)量點數(shù)多達248點，模擬量點數(shù)多達56點，擴展I/O模塊種類近30種，因而無論是替代傳統(tǒng)繼電器完成簡單控制，還是應(yīng)用于特殊場合實現(xiàn)復(fù)雜控制，無論是快速的離散量順序處理，還是復(fù)雜的運動控制，CTSC-200 PLC都游刃有余。CPU內(nèi)嵌自整定PID溫控算法，也有專門為溫度控制應(yīng)用而量身訂制的內(nèi)置PID溫控算法的PID溫控擴展模塊，用戶無需編程即可實現(xiàn)復(fù)雜的閉環(huán)溫度控制，動態(tài)性能出色。
另外其針對電子尺推出的高速輸入模塊精度高達16位，單通道轉(zhuǎn)換時間小于200us，而且模塊本身提供1路10VDC電源輸出，極大的方便了基于電子尺的應(yīng)用。
高性能的CPU、智能PID模塊加上高速輸入模塊等組合使用，大大提高擠出吹塑成型機的性能。
二、擠出吹塑成型工藝過程
擠出吹塑機是擠出機與吹塑機和合模機構(gòu)的組合體，由擠出機及型坯模頭﹑吹脹裝置﹑合模機構(gòu)﹑型坯厚度控制系統(tǒng)和傳動機構(gòu)組成。其工藝過程如下：
1．塑料的擠出
塑料加熱熔化后塑煉和混合均勻成流體，再以一定的壓力和容量擠入機頭。
2．型坯的形成
機頭內(nèi)的流體在重力和擠出壓力的作用下，通過機頭口模擠出形成所需的型坯。
3．型坯的吹脹
將達到要求長度的型坯置于吹塑模具內(nèi)合模，由模具上的刃口將型坯切斷，通過模具上的進氣口輸入一定壓力的氣體吹脹型坯，使制品和模具內(nèi)表面緊密接觸。
4．制品的冷卻
保持模具型腔內(nèi)的氣壓，等待制品冷卻定型。
5．制品的脫模
冷卻定型完成后，打開模具，由機械手將制品取出。
在吹塑過程中，型坯的形成和吹脹是吹塑過程的核心，型坯形成和吹脹質(zhì)量的高低直接影響著容器制品的質(zhì)量好壞，而熔料的受熱溫度、擠出壓力和和冷卻時間將直接影響型坯的成型和吹脹質(zhì)量。型坯壁厚在吹氣成型過程中若沒有得到有效控制，冷卻后會出現(xiàn)厚薄不均的狀況，胚壁產(chǎn)生的應(yīng)力也不同，薄的位置容易出現(xiàn)破裂。因此，控制型胚壁厚對于提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本也同樣重要。
綜上所述，如何控制擠出機的受熱溫度、擠出壓力、制品的冷卻時間以及型胚壁厚成為影響容器制品質(zhì)量的幾個關(guān)鍵因素。
三、控制系統(tǒng)設(shè)計
3.1 系統(tǒng)原理及配置
粒狀或粉狀的塑料經(jīng)擠出機塑化達熔融狀態(tài)，通過采集電子尺數(shù)據(jù)，反饋控制擠出熔料量，使熔料通過預(yù)定流速進入機頭。當(dāng)儲料量達預(yù)定值時，機頭口模打開，并根據(jù)設(shè)定的型坯壁厚曲線，調(diào)節(jié)模芯進行型坯壁厚控制。然后，將完成的制品型坯置于吹塑模腔內(nèi)，模具按照設(shè)定的速度進行合模，合模時要求運動平穩(wěn)，左右平衡。合模后進行吹氣，型坯在氣體壓力的作用下緊貼模具內(nèi)壁，保持壓力冷卻定型后開模，由機械手取出制品。
系統(tǒng)電氣控制部分的主要配置如下：
1）控制器采用TrustPLC CTSC-200 PLC進行動作控制和50點型坯壁厚控制。
2）溫度的測量采用工業(yè)鎧裝熱電偶。溫度采集由CTSC-200系列的8路熱電偶模塊CTS7 231-7TF32 完成，該模塊集成控制器帶智能PID算法，只要設(shè)置幾個參數(shù)，231-7TF32模塊就可以自行對所控溫區(qū)進行加熱或冷卻，并將實時溫度反饋給CPU。
3）擠出壓力控制由模擬量輸入模塊采集壓力傳感器的信號來控制擠出機螺桿的轉(zhuǎn)速，周時將實時壓力顯示在觸摸屏上。
4）壁厚控制由231-7HC32高速輸入模塊采集型坯長度和模芯間隙的電子尺反饋信號，然后通過4通道模擬量輸出模塊232-0HF22控制執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動伺服閥來實現(xiàn)。
5）操作面板采用觸摸屏完成整機的型坯溫度、擠出壓力、型坯壁厚以及冷卻時間等各種工藝參數(shù)的設(shè)定、修改、畫面顯示等，采用菜單式程序控制，操作簡便可靠。
3.2 溫度控制系統(tǒng)
在擠出吹塑的過程中，要使熔料溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度，所以同時配有加熱和冷卻設(shè)備，常用的是電阻加熱和風(fēng)扇冷卻。
擠出機的溫度控制由PID模塊CTS7 231-7TF32獨立完成。CTS7 231-7TF32模塊集成智能PID控制器，具有8路熱電偶輸入，控制過程的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)存儲區(qū)與CPU交換，控制精度達到±1℃。將初始PID參數(shù)和設(shè)定溫度送給該模塊，使能該模塊的PID控制，模塊便將熱電偶所測得的溫度送給PID控制器進行運算，然后將實時溫度和運算得出的控制動作寫入數(shù)據(jù)存儲區(qū)，同時對PID三個控制環(huán)節(jié)的參數(shù)進行優(yōu)化。CPU根據(jù)數(shù)據(jù)存儲區(qū)中的值來控制輸出(PWM模式下輸出給DO點，模擬量模式下輸出給AO)，實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制 。PID參數(shù)的設(shè)置、溫度設(shè)定、啟?？刂?、實時溫度、溫度曲線都在觸摸屏上實現(xiàn)。
溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：
3.3 壓力控制系統(tǒng)
擠出壓力對于熔料的流變性能來說也是重要的影響因素，如果擠出工藝穩(wěn)定，加工溫度和螺桿速度不變，黏度是一個常數(shù)。根據(jù)黏性流體的流動方程式可知，擠出機的擠出量與螺桿轉(zhuǎn)速成正比，而機筒壓力成反比。 因此，控制好擠出壓力是型壞形成質(zhì)量的重要保障。壓力控制系統(tǒng)如圖所示，圖中所示壓力控制是一個閉環(huán)系統(tǒng)，將壓力傳感器反饋的數(shù)據(jù)和所需的壓力進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整擠出機的螺桿轉(zhuǎn)速。
3.4 型坯壁厚控制
中空容器制品因其強度要求規(guī)定了最小壁厚，而早期的中空吹塑成型設(shè)備缺少型坯壁厚控制系統(tǒng)，為使制品最薄處達到最小壁厚要求，制品的其它部位就要相應(yīng)加厚，造成材料的浪費。為了節(jié)省成本、縮短制品冷卻時間、加快制品生產(chǎn)周期，一種比較經(jīng)濟的做法就是控制型坯壁厚。熔料從口模擠出處于黏流態(tài)流動一段時間，由于原材料特性、擠出溫度和擠出流量隨時間變化呈非線性變化，所以型坯在擠出過程中，型坯壁厚發(fā)生變化。為使擠出吹塑制品滿足壁厚要求，必須采取有效措施控制型坯壁的厚度。
壁厚控制系統(tǒng)是對模芯縫隙的開合度進行控制的系統(tǒng)，也即位置伺服系統(tǒng)，它由控制器、電液伺服閥、動作執(zhí)行機構(gòu)和作為位置反饋的電子尺構(gòu)成。當(dāng)機頭口模打開時，PLC讀取機筒電子尺反饋的型坯長度，然后根據(jù)型坯壁厚曲線，通過模擬量輸出模塊輸出±10V的電壓信號給電液伺服閥，伺服閥直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)控制模芯上下移動，調(diào)整口模與芯模的間隙來完成口模開度的控制，進而完成型坯壁厚的閉環(huán)控制。此時，壁厚型坯設(shè)定采用數(shù)字化方式，通過操作面板完成50點型坯壁厚控制的設(shè)定，型坯壁厚曲線的縱坐標顯示型坯長度，橫坐標顯示口模開度。
3.5 冷卻時間控制
在整個吹塑成形的過程中，冷卻時間是控制制品的外觀質(zhì)量、性能和生產(chǎn)效率的一個重要的工藝參數(shù)?？刂七m當(dāng)?shù)睦鋮s時間可防止型坯因彈性回復(fù)而引起的形變，使制品外形規(guī)整，表面圖文清晰，質(zhì)量優(yōu)良。但是，如果冷卻時間過長，那么就會造成因制品的結(jié)晶度增加而降低韌性和透明度，生產(chǎn)周期延長，生產(chǎn)效率降低。如果冷卻時間過短，那么所吹制的容器會產(chǎn)生應(yīng)力而出現(xiàn)孔隙，影響制品質(zhì)量。因此，在擠出吹塑中需要對冷卻時間做較精確的控制。
四、 應(yīng)用實例
廣東某機械實業(yè)有限公司是擠出吹塑中空成型機的專業(yè)制造廠家，其高端吹瓶機的控制核心采用運算速度非常快的TrustPLC CTSC-200系列CPU，配合高速的模擬量輸入模塊和智能PID溫控模塊，整個控制系統(tǒng)具有非常高的控制效率，精度高、速度快，在同類產(chǎn)品中脫穎而出，傲立潮頭。
TrustPLC CTSC-200系列PLC產(chǎn)品在該公司使用已有較長時間，在為該公司提高產(chǎn)品綜合性能的同時，也為他們節(jié)約了大量的成本。
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