黎洪洲

摘?要：注塑機(jī)溫度控制主要包括對(duì)料筒溫度、料口處溫度、噴嘴溫度、模具溫度、油溫進(jìn)行控制。溫度是注塑工藝的重要參數(shù)，溫度控制不好將直接影響到制品的質(zhì)量。本文基于多點(diǎn)檢測技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種注塑機(jī)溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件采用成本較低的單片機(jī)為處理器，軟件上采用模糊控制算法，對(duì)溫度控制的精度較高且速度較快，能夠滿足生產(chǎn)實(shí)踐的需求。

關(guān)鍵詞：注塑機(jī)溫度控制?單片機(jī)?溫度傳感器

中圖分類號(hào)：TQ320 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）10（a）-0085-01

在注塑成型過程中，溫度是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素[1-2]?？刂茰囟染鸵笤跈z測、控制環(huán)節(jié)有良好的性能及較高的自動(dòng)化程度。在測控系統(tǒng)中，對(duì)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行溫度測量，采用多點(diǎn)溫度監(jiān)控[3]。這種方式與單點(diǎn)PID控制相比，特別是點(diǎn)數(shù)較多的時(shí)候，系統(tǒng)要復(fù)雜很多。檢測系統(tǒng)的改造與升級(jí)采用多處，多點(diǎn)溫度監(jiān)控可提高系統(tǒng)的精度和速度，提升了注塑機(jī)控制系統(tǒng)的性能[4]。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用多個(gè)熱電偶溫度傳感器，將注塑機(jī)內(nèi)部不同位置檢測的塑料溫度信號(hào)傳給控制器，通過注塑機(jī)工藝參數(shù)設(shè)置與優(yōu)化編譯軟件，控制器實(shí)時(shí)輸出控制命令，控制加熱、冷卻裝置來控制溫度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。該系統(tǒng)控制精度高，速度快，能滿足生產(chǎn)實(shí)踐及教學(xué)的需要。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

注塑機(jī)溫度控制硬件系統(tǒng)中。處理器采用編程較方便的通用單片機(jī)AT89C51。多點(diǎn)的多個(gè)溫度傳感器將測得的溫度信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)算放大器放大，傳給ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換?？刂茰囟鹊膱?zhí)行元件為若干個(gè)電磁繼電器，實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)的加溫或降溫過程[5]。

注塑機(jī)的多點(diǎn)溫度測量有三種情況。

（1）峰值溫度測量。要準(zhǔn)確地測量出物料某時(shí)間的溫度，必須把測溫端插在物料中，此方法就是峰值溫度測量。峰值溫度是不連續(xù)的一段的溫度值，可以實(shí)時(shí)顯示，但實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制有延后。

（2）平均溫度測量。注塑機(jī)多點(diǎn)測量溫度的平均值?？偟膩砜矗话悴捎?個(gè)熱電偶溫度傳感器，其安裝位置一般在切面上均勻分布，互成封閉的整體。而且熱電偶成并聯(lián)的形式。因?yàn)椴⒙?lián)熱電偶輸出端的熱電勢是所有并聯(lián)熱電偶測量值的平均值。所以測量的是整個(gè)切面的平均溫度，較接近物料的實(shí)際溫度，因此采用平均溫度控制結(jié)果較好。

（3）瞬態(tài)溫度測量。在切面上的左右對(duì)稱點(diǎn)的位置放兩個(gè)熱電偶，它們的熱電勢應(yīng)基本相同，其平均值就是它們各自的即時(shí)測量值?？梢詼y量出來該切面物料的瞬時(shí)溫度值，這種測量就叫瞬態(tài)溫度測量。把測量信號(hào)輸出，用來顯示監(jiān)視和控制，能達(dá)到其測量和控制的結(jié)果。實(shí)際中要考慮多個(gè)熱電偶溫度傳感器的位置與絕緣的長度問題，測量的溫度信號(hào)是不是連續(xù)的信號(hào)，一般此信號(hào)只可以實(shí)時(shí)顯示。

本系統(tǒng)采用平均溫度測量方法。用熱電偶PT100做溫度傳感器，PT100鉑電阻溫度傳感器的零度阻值為100Ω，其電阻變化率為0.3851Ω/℃，是中低溫區(qū)（-200～650℃）最常用的一種溫度檢測器。它的精度高，重現(xiàn)性和穩(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍廣，廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫。

溫度檢測到的信號(hào)經(jīng)過前端放大電路放大。傳感器測量電橋由R33、R42、R36 和Pt100 組成。電橋的輸入電壓通過TL431穩(wěn)至2.5V，用來保證電橋輸出電壓信號(hào)的穩(wěn)定。輸出的差分信號(hào)通過U5A，U5B后輸入單片機(jī)。R36是可調(diào)電阻，一般用來調(diào)整零點(diǎn)。調(diào)節(jié)R36能改變輸入到運(yùn)放的差分電壓信號(hào)大小。采用LM358集成運(yùn)算放大器，放大電路采用兩級(jí)放大，前一級(jí)約為10倍，后一級(jí)約為2倍，能防止單級(jí)放大倍數(shù)過大產(chǎn)生的非線性誤差。溫度變化范圍0～100℃，如果溫度上升，Pt100阻值變大，輸入放大電路的差分信號(hào)變大，輸出電壓也會(huì)相應(yīng)變高。

A/D轉(zhuǎn)換器采用間接型A/D轉(zhuǎn)換方式中的V，F(xiàn)轉(zhuǎn)換器，型號(hào)為LMI31，它的作用是把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同頻率的數(shù)字信號(hào)，再送到計(jì)算機(jī)的串口，通過計(jì)算機(jī)識(shí)別其頻率的變化來確定電壓變化情況。LMI31是通用型的V/F變換器，適用于A/D轉(zhuǎn)換器、高精度V/F變換、長時(shí)間積分器、線性頻率調(diào)制或解調(diào)器等電路。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了準(zhǔn)確的進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，提高控制精度及效率，溫度劃分區(qū)間模糊控制的原理，把溫度劃分為直接加熱區(qū)、溫度主控區(qū)和加熱停止區(qū)三個(gè)調(diào)節(jié)范圍（劃分范圍可根據(jù)工藝參數(shù)設(shè)置與優(yōu)化，也可設(shè)定溫度T 的百分比為基準(zhǔn)，用戶在輸入界面中完成）。由實(shí)例推理技術(shù)模擬工藝參數(shù)設(shè)置，使溫度誤差在不同的范圍內(nèi)采取不同的控制策略。在直接加熱區(qū)時(shí)，用固態(tài)繼電器控制電路導(dǎo)通、截止。以控制加熱器的工作狀態(tài)，使溫度迅速達(dá)到調(diào)節(jié)范圍。控制溫度偏差在誤差范圍內(nèi)，不至于PID運(yùn)算的積分累積，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至震蕩，溫度主控區(qū)的[T1，T2]階段為積分分離階段，進(jìn)行PD （比例-微分）控制，而在[T2，T3]范圍內(nèi)則采用PID控制。在注塑機(jī)工作時(shí)，注塑溫度主要在這個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，控制器根據(jù)脈寬調(diào)制原理決定繼電器的導(dǎo)通或截止時(shí)間，實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制。

3 調(diào)試結(jié)果

3.1 溫度整定

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用的傳感器為PT100型熱鉑電阻，溫度控制模塊將傳感器傳來的信號(hào)轉(zhuǎn)化成2字節(jié)長的無符號(hào)數(shù)輸入工控機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，此數(shù)據(jù)在傳感器整個(gè)溫度測量區(qū)[0，300]表現(xiàn)出非線性的特征，但在分段區(qū)間內(nèi)顯示出良好的線性特征。在溫度整定過程中，為了實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的目的，采用了MATLAB這類的工具，對(duì)數(shù)據(jù)采用歸一化處理及最小二乘法擬合。在程序測試中，編制了一個(gè)模塊運(yùn)用擬合的結(jié)果對(duì)溫度進(jìn)行整定，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在注塑機(jī)工作的溫度范圍內(nèi)，整定精度優(yōu)于0.5%取得了符合要求結(jié)果。

3.2 溫度控制曲線

實(shí)際試驗(yàn)采用聚丙烯粒料。如圖5從溫升曲線可以看出，直接加熱段顯著縮短了加熱時(shí)間，由初始狀態(tài)接近設(shè)定溫度不到10min，積分分離以及超限加熱停止（系統(tǒng)設(shè)定為超過設(shè)定溫度2℃則加熱停止）策略，能較好的解決溫度過沖問題；減少采樣時(shí)間（0.5s）可使系統(tǒng)對(duì)溫度變化的響應(yīng)加快，系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)控制精度得到提高。

4 結(jié)語

注塑工藝對(duì)溫度控制的要求高，根據(jù)生產(chǎn)和教學(xué)要求，本文給出了一種基于多點(diǎn)檢測的注塑機(jī)溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件成本較低，通用性強(qiáng)，且實(shí)踐表明該系統(tǒng)溫度控制效果較好，能滿足大多數(shù)實(shí)踐應(yīng)用場合。

參考文獻(xiàn)

[1]萬力，彭玉樓.單片機(jī)在注塑機(jī)溫度控制中的應(yīng)用[J].機(jī)械與電子，1997.

[2]林國治，尹開勤，劉釗.基于單片機(jī)的注塑機(jī)溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)于制造，2011.

[3]孫振強(qiáng).基于單片機(jī)的注塑機(jī)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2012.