雙螺桿擠出機電氣控制系統
1.引言
擠出機由于三大合成材料之一的塑料問世以來得到迅猛發展。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、建材、包裝、機械、電子、汽車、家電、石化和國防，擠出機以及人們的日常生活等各個領域，塑料已是人類活動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，因此發展塑料擠出成型技術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、炸藥、建材、包裝、紙漿、陶瓷等領域。擠出機高速、高產，可使投資者以較低的投入獲得較大的產出和高額的回報。但是，擠出機螺桿轉速高速化也帶來了一系列需要克服的難點：如物料在螺桿內停留時間減少會導致物料混煉塑化不均，物料經受過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造成擠出物幾何尺寸波動，相關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，減速器與軸承在高速運轉的情況下如何提高其壽命等問題都需要解決。
從整體上說雙螺桿擠出理論的研究尚處于初始階段,這就是所說的"技藝多于科學".；擠出機工作過程的電氣自動化控制也在不斷發展，傳統的電氣控制都是分別采用單機自動化儀表實現的，如今已發展到采用人機界面技術、計算機技術、變頻技術等構成的觸摸屏、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，它直接關系到塑料機塑化效果和產量。螺桿在料筒內旋轉工作是在高溫高壓大扭拒下進行的，由于它要在轉動中強力推動物料前移，同時，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。
螺桿在旋轉過程中，主要靠螺棱對塑料進行剪切塑化，并推動塑料前移，因而螺棱承受巨大的剪切應力和摩擦力，由于長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，嚴重時會產生塑料回流，且塑化效果降低，出現晶粒和產能嚴重下降的現象。
熔融擠出的過程是將預混合好的物料從加料口進入擠出機機筒，經機筒第一段為加料段，物料在此階段不會熔融，隨螺桿傳動，物料被帶入第二段為壓縮段，該段為加熱階段，物料開始熔融，物料間的摩擦力增加，形成高粘體，繼續隨螺桿傳動進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：螺桿繞本身的軸線旋轉的同時沿襯套內表面滾動，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一個螺距，隨著螺桿的連續轉動，液體螺旋形方式從一個密封腔壓向另一個密封腔，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。在擠出機擠塑料生產過程中，機筒上有加熱和冷卻裝置交替工作，則使機筒工作時溫度恒定在一個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的順利進行。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。位式控制比較簡單，是開關控制，總是全功率加熱或者切斷，溫度波動大。比例控制是按照實際溫度和設定溫度差來自動選擇加熱功率，因此熱慣性比較小，溫度波動小。
機筒的冷卻方式可以采用風冷和水冷，風冷方法是用電動風機來吹機筒需要降溫的部位，讓冷風帶走機筒部分熱量，以達到機筒降溫目的。風冷機筒的特點是機筒降溫的速度緩慢。機筒采用循環水冷卻降溫的速度較快，但長時間使用容易結垢堵塞，因此若要使用水冷方式，應該選用處理過的軟化水。
2.3傳動系統
擠出機的傳動系統要為擠出機提供螺桿運轉動力，為了滿足工藝要求，對擠出機的動力應有以下幾個要求：
(1)螺桿能夠有足夠的轉矩；
(2)螺桿能夠從低速起動，然后調至所需要的轉速，并且應該是恒轉矩狀態；
(3)運轉平穩，轉速不波動。
2.3.1主機
一臺擠出機主機由擠壓、傳動、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，是擠出機的關鍵部分；
傳動系統中起作用是驅動螺桿，要保證螺桿在工作過程中具備所需要的扭矩和轉速；
加熱冷卻系統主要來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而定。一般說來，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，擠出機網www.jichuji.com是在擠出過程中實現對螺桿轉速、機筒溫度和熔體壓力等工藝參數的控制。目前，以儀表控制系統、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現開關兩控制，也可以采用智能儀表實現簡單比率控制，而PLC控制系統可以通過模擬量通信實現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現閉環控制；前者的測試功能只有顯示功能，而后者可以實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、輔機的拖動電機，滿足工藝要求所需的轉速和功率，并保證主、輔機能協調地運行。
(2)控制主、輔機的溫度、壓力、流量和制品的質量。
(3)實現整個機組的自動控制。
(4)進行數據的采集和處理，實現閉環控制。
2.5雙螺桿擠出機的主要技術參數
1、螺桿公稱直徑。螺桿公稱直徑是指螺桿外徑，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、螺桿的長徑比。螺桿的長徑比是指螺桿的有效長度與外徑之比。一般整體式雙螺桿擠出機的長徑比是在7-18之間。對于組合式雙螺桿擠出機，長徑比是可變的。從發展看，長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、驅動功率。驅動功率是指驅動螺桿的電動機功率，單位為kw。
6、產量。產量指每小時物料的擠出量，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步序
1.接通電源按工藝把溫控儀表調到一定的溫度進行加熱，等到溫度到了以后，要保溫3小時對料筒里的物料進行軟化，然后把溫控儀表調到工藝要求的溫度進行控制。
2.開啟主機在開啟主機時要注意電機的電流大小，如果電流過大，這時不能將速度調上去，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行生產。
3.開啟輔機喂料機、牽引機、切割機。
3.擠出機的系統框圖
其工作過程為：把觸摸屏中的設定值通過通信線路傳輸到PLC，同時機筒和模頭上的當前溫度通過熱電偶傳送到溫控模塊進行處理，再由溫控模塊傳送到PLC中。當溫度值與設定植在PLC中進行數值比較后，如果當前值低于設定值，PLC就發出指令使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中進行數值比較。經過一段時間的加熱后，如果當前溫度值高于設定值，PLC就發出指令，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，使得加熱器斷電不加熱。對有冷卻風機的，PLC同時發出指令使PLC內部相應的繼電器得電工作，使風機通電工作。通過風機冷卻，把機筒的當前溫度降低。當機筒溫度達到設定值以后，PLC發出指令，使內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，使冷卻風機斷電停止工作。
PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法很多,概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型,經過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,還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法,它主要依賴工程經驗,直接在控制系統的試驗中進行,且方法簡單、易于掌握,在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數的工程整定方法,主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點,其共同點都是通過試驗,然后按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數,都需要在實際運行中進行最后調整與完善。現在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作；(2)僅加入比例控制環節,直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩,記下這時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公式計算得到PID控制器的參數。
4.結束語
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進行通訊。其神奇之處在于所有運用到的參數都可以通過觸摸屏來設置和顯示。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的智能溫控模塊。觸摸屏給我們提供了一個友好的人機界面。可編程控制器PLC和變頻器正在被廣泛的應用于雙螺桿擠出機的自動控制上。上述這一些都是雙螺桿擠出機電氣控制系統的一個明顯的發展趨勢。
