劉奎魯，崔敏，楊鐵牛，全鑫

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基于Labview的單螺桿擠出機溫度測控系統(tǒng)設(shè)計

劉奎魯，崔敏，楊鐵牛，全鑫

（五邑大學 機電工程學院，廣東 江門 529020）

針對單螺桿擠出機擠出PP材料穩(wěn)定性差及擠出質(zhì)量欠佳的問題，一是對螺桿的結(jié)構(gòu)進行了改進設(shè)計，由此能夠沿螺桿軸向長度方向布設(shè)6個溫度傳感器并能夠可靠地進行測溫工作，加上原本料筒處測量溫度的9個點，從而可以有效監(jiān)控擠出機不同位段機筒內(nèi)壁與螺槽壁的溫度分布狀況；二是設(shè)計了一套基于Labview的溫度測控程序，分析了擠出溫度和壓力對擠出材料的影響，通過Z-TIO溫控模塊內(nèi)的PID控制料筒的加熱或冷卻使溫度趨于設(shè)定值. 研究結(jié)果表明，本文方案能夠精確測定、描述和調(diào)控擠出熔體各區(qū)段的溫度，拓展了單螺桿擠出機的溫控范圍，提高了熔體溫度測控的精確性且操作方便.

單螺桿擠出機；Labview程序；溫度測控；SRZ溫控模塊；PP材料

據(jù)統(tǒng)計，全世界80%以上的塑料是用擠出法生產(chǎn)的，其中單螺桿擠出機的使用占相當大的比例（在我國為80%～85%）[1]. 物料從單螺桿擠出機中擠出要經(jīng)過進料段、壓縮段、均化段等結(jié)構(gòu)段，歷經(jīng)固態(tài)、固態(tài)熔融共存態(tài)和完全熔融態(tài)，其制品的好壞與溫度控制的精確性有很大關(guān)系. 由于物料在每段所需要的溫度均不相同且需準確控制，加之擠出過程剪切熱、摩擦熱導(dǎo)致的升溫，使得PP等材料的擠出存在穩(wěn)定性差、擠出質(zhì)量欠佳的問題；隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，一些新材料對成型工藝和混煉效果也提出了更高的要求. 因此，設(shè)計控制精確、性能穩(wěn)定、易于操作的單螺桿擠出機溫控系統(tǒng)勢在必行[2-4]. 目前，國內(nèi)擠出機產(chǎn)品大多采用在料筒上打孔放置溫度傳感器，通過溫控表進行溫度的測量和控制，但這只是對料筒內(nèi)壁的熔體進行溫度測量及控制，不能精確地反映螺槽與料筒內(nèi)壁之間的溫度變化趨勢，且溫控表的控溫精度僅為，不能滿足生產(chǎn)要求. 本文通過改變螺桿的結(jié)構(gòu)，在螺桿上打孔放置溫度傳感器，借助Labview程序和Z-TIO溫控模塊自帶的PID算法進行溫度的測量和精準控制.

1 螺桿結(jié)構(gòu)的改進

單螺桿擠出機按功能大體分為3段，其中，送料段又為遲滯區(qū)，是螺桿的初始段，物料由常溫被加熱到熔融狀態(tài)附近，除了靠近機筒內(nèi)壁的物料，其他地方的物料仍以固態(tài)存在；在壓縮段，物料進一步塑化，最終完全變?yōu)槿廴跔顟B(tài)；計量段又為均化段，是螺桿的最后一段，溫度和壓力趨于平穩(wěn)狀態(tài)，物料以熔融狀態(tài)進入模頭擠出.

本文借助AutoCAD和Pro-E繪圖軟件在原有螺桿結(jié)構(gòu)的二維圖上繪制出了改進螺桿結(jié)構(gòu)的三維剖面圖，如圖1所示. 沿螺桿軸向鉆了的通孔，然后沿縱向在螺槽上鉆6個階梯螺紋孔來放置溫度傳感器，這樣在擠出物料的過程中，利用Labview測試軟件可以得出沿機筒內(nèi)壁和螺槽壁上各測點的溫度曲線，由此分析沿軸向的溫度變化趨勢，再借助數(shù)值模擬技術(shù)可以得出三維溫度場分布. 有限元ANSYS Workbench軟件的結(jié)構(gòu)強度仿真分析表明，改進后的螺桿結(jié)構(gòu)的強度是滿足使用要求的.

1. Φ20 mm的通孔；2～7. K型熱電偶溫度傳感器安裝簡化孔

圖1 改進的螺桿結(jié)構(gòu)剖面圖（mm）

2 單螺桿擠出機溫控系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

用Labview設(shè)計溫控程序的系統(tǒng)框圖如圖2所示，它是一個閉環(huán)系統(tǒng). 在Labview的前面板寫入每個區(qū)的經(jīng)驗溫度數(shù)值，將K型熱電偶溫度傳感器測得的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑-Tio溫度模塊中，借助Modbus的通訊協(xié)議[5]實現(xiàn)Z-Tio溫度模塊與上位機Labview程序的串行通訊，使得各點的溫度數(shù)據(jù)在Labview前面板以曲線和實時數(shù)值表現(xiàn)出來，并與輸入的溫度經(jīng)驗數(shù)值進行比較得到差值，用溫度模塊自帶的PID算法調(diào)控該差值并得出控制量，通過溫度模塊的輸出端子來控制固態(tài)繼電器，進而控制擠出機料筒上鑄鐵加熱器或風機電源的通斷來進行加熱或冷卻，從而達到控制溫度的目的.

圖2 溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

擠出機擠出溫控硬件設(shè)備如圖3所示，包括Z-TIO溫控模塊、外加的電源、K型熱電偶溫度傳感器、R485轉(zhuǎn)R232轉(zhuǎn)換器以及R232轉(zhuǎn)USB接口的通訊線. 硬件部分的上位機選用的是可攜帶的筆記本電腦，其接口是USB接口，而Modbus 通訊協(xié)議傳輸?shù)慕涌谑蔷裴樀腞485接口，因此選用了R485轉(zhuǎn)R232接口連接筆記本電腦來進行通訊. 由于Z-TIO溫度模塊需要外加電源，本文選用外加電源為溫度模塊供電. 每個Z-TIO溫度模塊可接收4點的溫度信號，并可以通過溫度模塊自帶的PID自動算法輸出4點溫度的控制量. 由于料筒和螺桿上均打孔放置了溫度傳感器，因此本文設(shè)置了15點的溫度采集程序. “數(shù)據(jù)顯示”用于顯示各點實時的溫度值，“實時曲線”用于顯示各點的實時溫度數(shù)據(jù)曲線. 設(shè)定的每點溫度數(shù)值是其經(jīng)驗值，經(jīng)過溫控模塊的PID算法以及加熱或冷卻的方法將實時溫度調(diào)控至趨于設(shè)定的溫度.

1.R485轉(zhuǎn)R232轉(zhuǎn)換器 2.24 V外加電源 3.Z-TIO溫控模塊

圖3 硬件設(shè)備

3 基于Labview的溫控程序設(shè)計

由圖3可知，本文的溫控系統(tǒng)利用Modbus通訊協(xié)議通過R485通訊線和R485轉(zhuǎn)R232轉(zhuǎn)換器將溫控模塊和上位機連接，并將溫度傳感器測得的溫度在Labview程序中顯示、存儲. 基于Labview的溫控程序如圖4所示.

圖4 溫度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1 串行通信模塊

由于溫控模塊通過Modbus通訊協(xié)議和上位機的Labview軟件進行通信，因此可將Modbus的初始協(xié)議做成一個子程序引入到溫控程序中，以此節(jié)省后面板的頁面空間. Modbus串口初始化的子程序如圖5所示，包括選擇的串行口、串行通信的波特率、數(shù)據(jù)位長度、停止位長度以及校驗方式.

a.前面板????????????????b.程序框圖

圖5 Modbus串行初始化的程序設(shè)計

Modbus采用兩種傳輸方式：ASCII和RTU[6]. 由于同樣波特率的情況下，RTU能比ASCII傳輸更多的數(shù)據(jù)，故本文采用RTU傳輸方式. RTU傳輸面板及程序如圖6所示，包括傳輸方式的選擇、讀取寄存器的初始地址、讀取寄存器地址的數(shù)量. 每塊溫控模塊只能寄存4個模擬通道的數(shù)據(jù)，因此需要4個溫控模塊. 本文將RTU傳輸方式的程序設(shè)置成子程序以方便總程序的其他子程序調(diào)用.

a.前面板???????????????b.程序框圖

圖6 RTU傳輸方式的前面板及程序框圖

3.2 實時數(shù)據(jù)顯示及處理功能模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊是將溫度傳感器測得的溫度通過溫控模塊和上位機的通信將數(shù)據(jù)以曲線的方式在Labview中顯示，并顯示實時數(shù)據(jù)以及超溫后的報警功能. 相關(guān)程序如圖7所示.

3.3 歷史數(shù)據(jù)保存程序

已采集到的實時溫度曲線及數(shù)據(jù)需要相應(yīng)的保存程序?qū)?shù)據(jù)保存下來，相應(yīng)的程序如圖8所示. 程序采用存一次、每建立一個文檔的方式進行存儲.

圖7 溫度顯示及報警功能程序??????????圖8 數(shù)據(jù)的保存程序

3.4 寫入溫度數(shù)據(jù)模塊

借鑒PP塑料的熔融溫度經(jīng)驗值，在程序中輸入合適的溫度數(shù)據(jù)并傳輸?shù)綔乜啬K，與溫度傳感器測得的實時數(shù)據(jù)比較，經(jīng)過溫控模塊自帶的PID調(diào)控功能自動計算出控制量，進而促使溫控模塊驅(qū)動固態(tài)繼電器來控制鑄鐵線圈進行加熱或控制風機進行冷卻，最終使實時數(shù)據(jù)趨于設(shè)定的溫度數(shù)值，相應(yīng)的寫入程序如圖9所示.

圖9 溫度的寫入程序

4 基礎(chǔ)實驗結(jié)果

上位機Labview運行的主界面包括三個部分：各點溫度傳感器測得的實時溫度曲線與數(shù)據(jù)的數(shù)值顯示、超溫時報警輸入的每點溫度數(shù)據(jù). 將Z-TIO溫度模塊和擠出機料筒上的K型熱電偶溫度傳感器與上位機Labview程序連接以后，基礎(chǔ)實驗測量和控制的結(jié)果如圖10所示.

a.輸入的溫度數(shù)據(jù)值??????????b.基礎(chǔ)實驗的測量結(jié)果

圖10 基礎(chǔ)的溫度實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明：1）在螺桿上打孔放置溫度傳感器，通過對中間熔體的溫度檢測和擠出腔室溫度場的模擬仿真，與只是在料筒壁上打孔放置溫度傳感器測得數(shù)據(jù)的方法進行比較，得到了更貼合實際的熔體溫度變化趨勢，最終通過改變輸入的溫度數(shù)值達到提高擠出物料的產(chǎn)量和質(zhì)量的目的；2）用本文設(shè)計的基于Labview的溫控程序檢測擠出機擠出過程的溫度變化是可行的，并且程序易于操作，利用此程序還可進行熔體溫度的實時測量；3）通過與工廠廣泛采用的溫控表測控的數(shù)據(jù)結(jié)果對比，采用本文測控方法控溫精度在以內(nèi)，比溫控表控溫更加精準.

5 結(jié)束語

針對塑料行業(yè)廣泛使用的單螺桿擠出機的溫控問題，本文在原有料筒安裝傳感器的基礎(chǔ)上，提出了在螺桿上打孔放置溫度傳感器的方法，并基于上位機的Labview虛擬儀器平臺和溫控模塊的通訊協(xié)議，設(shè)計了相應(yīng)的溫度測控系統(tǒng)，測得了料筒內(nèi)壁和螺槽的實時溫度變化曲線；通過上位機Labview軟件和Z-TIO溫控模塊進行Modbus串行通訊的方法，實現(xiàn)了熔體溫度的精確測控，并為下階段通過設(shè)置合理的溫度來提高擠出產(chǎn)量的研究與分析做好了數(shù)據(jù)上的準備. 由于本設(shè)計只需要工人點擊運行按鈕及輸入溫度預(yù)期數(shù)值即可，因此操作方便、易于推廣.

參考文獻：

[1] 朱海洋，張莉. 基于RBF的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制在單螺桿擠出機中的應(yīng)用[J]. 黃石理工學院學報，2010, 26(1): 5-8.

[2] 紀峻松，劉莉，徐延國. 單螺桿擠出機的溫度控制[J]. 塑料科技，2002, 152(6): 37-39.

[3] 梁毅，費敏銳. 單參數(shù)模糊PID在塑料擠出機溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 華東理工大學學報（自然科學版），2006, 32(7): 840-843.

[4] 王海璇. 基于模糊控制的單螺桿擠出機溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 長春：吉林大學，2016.

[5] 祝木田，師勇. ModBus通訊協(xié)議的應(yīng)用[J]. 微計算機信息，2004, 20(6): 9-11.

[6] 葉露林，洪雪峰. 基于ModBus通訊協(xié)議智能模塊實現(xiàn)及應(yīng)用[J]. 電子科技，2009, 22(2): 11-13.

[責任編輯：熊玉濤]

Design of a Temperature Measurement and Control System for the Screw Extruder Based on Labview

LIUKui-lu, CUIMin, YANGTie-niu, QUANXin

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

First, in light of the problems of poor stability and quality of the PP materials from the screw extruder, the structure of the screw was improved by placing six temperature sensors along the axial direction of the screw, which can measure temperatures in a reliable way. Together with the nine points originally installed on the charging barrel, they can effectively control the temperature distribution on the inner surface and the spiral groove wall of the different segments of the extruder. Secondly, a temperature control program was designed based on Labview to analyze the effects of extrusion temperature and pressure on the extrusion materials. Through the heating or cooling of the PID control cylinder in the Z-TIO temperature control module, the temperature approximates a set value. The research results show that this scheme can accurately measure, describe and control the temperature of each section of the melt extrusion, expand the temperature range of the single screw extruder, improve the accuracy of the melt temperature control and is easy to operate.

single screw extruder; Labview program; temperature measurement and control; SRZ temperature control module; PP material

1006-7302（2016）04-0046-06

TP273

A

2016-09-08

2015年中山市產(chǎn)學研結(jié)合項目（螺桿參數(shù)化建模及后續(xù)優(yōu)化設(shè)計）.

劉奎魯（1990—），男，山東聊城人，在讀碩士生，主要從事智能化檢測及自動控制方面的研究；崔敏，副教授，碩士生導(dǎo)師，通信作者，主要從事制造過程質(zhì)量檢測與控制、材料成形與裝備設(shè)計方面的研究.