快速了解优化成型挤出机温度控制体统

在改性生产过程中，挤出机温度控制精度对原料的塑化和混合效果有着直接而明显的影响。因此，研制一种高精度、快速响应的挤出机机筒温度控制系统对塑料机械行业具有重要的意义。

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背景和意义

在塑料型材生产中最重要的生产工艺就是对温度参数的控制，挤出机温度控制精度的高低直接决定产品质量和力学性能。同时，料筒温度对原料的塑化和混合有着直接而明显的影响。若温度不够高会造成原料无法融入塑化甚至挤出成型困难；温度过高会使制品表面产生微小气泡甚至导致原料的分解、烧焦；温度波动则会造成熔体流率波动致使产品尺寸发生变化。因此，实现塑料挤出机温度精确控制已成为决定塑料制品质量和产量的关键因素。

目前，塑料挤出机温度控制方法主要采用电阻加热法，即根据工艺要求将料筒分成不同区域以保持恒定的温度，并且不同区域之间的温度不同。但由于挤出机自身结构特点，热惯性及热滞后问题一直是挤出机温度控制的难点。其次，塑料型材生产中电 电压的不稳定和螺杆转速突变，再加上生产环境的复杂性以及料筒之间温度的强耦合性、杆转速等工艺参数的影响，取得良好的温度控制效果难度较大。特别是当螺杆转速突变会造成物料体积发生周期性变化，从而影响物料流动的速度梯度方向及螺杆的剪切流变,进而降低塑料型材的塑化效果。因此，料筒温度控制的复杂性和塑料型材生产条件的不确定性，致使挤出机温控精度的问题一直是塑料机械行业关注的焦点和难点。

目前国内塑料挤出机在型材制品生产过程中，其控制系统的温度控制精度普遍不高，对环境温度变化以及其他相关工艺参数所造成的温度扰动的解决能力较差。我国常规挤出机的温度控制精度能够达到±5℃，在如此大范围内的温度波动不仅会影响塑料熔体流率以及熔体黏度的大范围变化，而且会致使塑料型材厚度不均匀，造成原材料的浪费。

因此，研制一种合适的塑料挤出机温度控制系统，进一步提高温度控制精度，对于对塑料机械行业具有重要的现实意义。

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重要性和特点

01重要性

影响挤出成型的主要工艺参数有温度、压力和挤出速率。其中温度控制起着决定性作用，是挤出工艺的一个重要方面。若温度在挤出过程中发生变化，则挤出机熔体压力、原料塑化度、制品残余应力都会产生一定变化，从而导致控制系统稳定性降低，难以保证塑料制品的质量和产量。在挤出温度设定上，不仅需要确定一个温度水平，还需要根据具体挤出过程对温度进行分段控制。

物料在料筒内进行塑化，加热器进一步加热熔融，达到一定的粘流温度，否则无法保证挤出过程的顺利进行。料筒温度过高或较长时间处于相对较高的温度会导致塑料分解现象加剧，造成塑料制品变色、起泡，严重影响产品质量。

塑性型材的物理力学性能受到挤出机料筒温度的影响也较大。根据相关资料显示，型材制品的力学性能如应变力、拉伸强度、屈服强度等主要取决于制品塑化度，而众多影响制品塑化度的因素中，对其影响最大的就是料筒温度。在塑性型材生产过程中，挤出机温度控制精度决定了型材的塑化效果，挤出温度过低或过高会分别导致塑化不足和塑化过度。

因此，原料在加热和保温过程要针对原料的性能和生产工艺设定合理的料筒和机头温度，保证原料在料筒内完全塑化熔融。挤出过程中温度的波动会导致熔体流动性的变化，温度过高会使熔体之间发生相对运动，在剪切力的作用下，料筒温度会进一步增加，致使原料分解，严重时会造成塑料烧焦现象发生。

02特点

挤出机料筒温度控制系作为一个非线性、大惯性的多变量系统，具有以下特点：

（1）时间常数大，纯滞后时间长。

挤出机自身结构特点决定了其温度控制系统具有较大的时间常数甚至较长的延时。

挤出机的加热和冷却系统对塑料温度控制实际上是通过料筒壁铸铝电热元件的热传导，最终由挤出机料筒内壁完成的[35]。因此，原料在通过挤出机加热器加热达到塑化熔融温度需要一定的时间。此外，冷却风机一般位于料筒外表面，当温度过高需要冷却风机对

料筒降温时，需要一定的冷却时间，从而导致控制系统时间常数较大和系统的延迟。

（2）各温控区域耦合强。

塑料挤出机各料筒区域之间的强耦合性是影响温度控制系统的一个重要因素。通常为了保证挤出工艺正常进行，要求挤出机温度根据工艺需求采用分段控制，但由于各温度控制段在空间分布上相距较近，导致相互之间热传递频繁，因此无法避免相邻料筒之间的剧烈热传导，由此造成各区域之间温度的强耦合性。

（3）料筒温度波动频繁

挤出机生产过程中，挤出机料筒的每个部位所实现的功能有所不同，因此各段之间温度设定值也有所区别，通常根据挤出产品的不同分为阶梯上升型设置法和马鞍型温度设置法。由于料筒各区通过多个加热器加热，彼此之间间隔距离较近，在加热阶段容易

造成热量传递甚至温度波动。如遇到某一区域加热控制的继电器损坏，虽然料筒温度以达到融化温度，但该加热器会持续加热，过高的温度会造成相邻区域温度的波动。

（4）工况复杂，干扰因素多。

塑料挤出机控制系统是一个相对复杂的系统，许多不确定因素对塑料型材的质量影响较大。如螺杆转速突变、牵引速度及电 电压波动比较常见。螺杆转速的突变不仅会影响塑料型材生产的剪切速率和剪切时间（即在该剪切速率下的停留时间），同时还影响物料塑化熔融剪切发热量。塑料型材在被挤出机头时需要牵引辊以稳定的速度牵出，此时型材的硬度及力学性能并未达到最佳，若牵引速度变化会造塑料型材变形和产品致

密度降低。电 电压波动会同时造成螺杆转速、牵引速度等其他辅助设备发生变化。另外，在塑料型材生产过程中，其生产车间在不同的季节、不同时间段温度也有较大波动。

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整体方案设计

根据塑料挤出机的控制要求，将系统分上位机PC 与下位机PLC两级控制，上位机由PC机实现，主要完成设备操作、数据显示、参数设置、人机对话等功能。下位机由PLC控制实现，主要完成及挤出机数据采集、指令输入输出、程序控制等功能。

挤出机温度控制系统主要由硬件部分和软件设计两部分组成。系统硬件主要包括PS307/5A电源模块、以太 通讯模块，Profibus通讯单元，上位机 PC控制计算机，下位机SIMATIC S7-300 PLC(315-2DP)；系统软件主要包括STEP7 V5.5 编写主程序、SIMATIC WinCC组态监控画面及上位机与下位机的通讯程序等，挤出机温度控制系统方案总体设计如图1所示。

图1 挤出机温度控制系统总体框架图

塑料挤出机温度控制系统主要采用多段、多区连续控制。为保证温度控制精度，采用可靠的可编程逻辑控制系统作为低层控制。其工作过程是热电偶传感器检测料筒及机头的当前温度，将其转变成电量传输给PLC主控器，集成在PLC上的数字量模板再将电量转化成PLC可识别的数字量。PLC通过BP-PID控制算法对该温度数字量及设定的温度值进行处理，将得到的控制量输出给PLC数字量模板，数字量输出实现0或1的信 电平控制固态继电器 SSR 通断，实现对加热线圈、冷却风机的控制，从而控制挤出机料筒与机头的温度。挤出机温度控制系统原理框图如图2所示。

图2 挤出机温度控制系统原理图

这是针对挤出机温度控制特点提出了挤出机温度控制系统的总体方案。