塑料挤出机温度控制系统设计

摘要

塑料挤出机是塑料挤出生产加工的重要设备,目前绝大多数的塑料制品生产都是通过挤出工艺由塑料挤出机加工完成的。在塑料挤出生产过程中,挤出机的温度对挤出制品的性能和质量有着直接的影响,因此挤出机温度控制的好坏成为决定产品质量的关键。挤出机温度通常采用分区控制法,多个区域之间的温度存在强耦合性,且各区域的温度受到干扰呈现时变性,而挤出生产过程对挤出机温度控制的精度和平稳性有严格的要求。
　　本文以线缆外护生产为背景,分析了挤出机温度控制的特点,设计了挤出机温度控制系统总体结构。该结构采用PROFIBUS现场总线组成控制网络,对生产线各部分采用模块化控制,方便维护和功能扩展。选择了合理的控制方式,对挤出机的机头和机筒部分划分为若干个区,用两层结构控制器完成各区的温度控制,具有灵活性和通用性。提出了一种将智能控制和常规PID相结合的控制方法,即基于模糊控制的PID多回路抗耦合控制算法。该方法根据自身控制回路和相邻回路的误差的大小,利用模糊控制模仿专家或工程技术人员经验的推理方法,对PID控制器的设定值做实时的调整,从而减弱或消除被控对象多变量耦合性的影响。
　　此外,对单回路PID控制做出优化,采用PID设定值分段给定方法,减小系统超调、缩短调节时间;采用积分分离法,抑制输出饱和,减小波动,从而消除现场大给定和严重干扰给系统带来的影响。该方法与常规PID以及一般的模糊PID控制算法相比,具有更好的鲁棒性和抗耦合性,适应能力更强。基于提出的温度控制方法,结合线缆外护生产线的特点,对系统的硬件和软件分别进行了设计。在硬件方面,系统利用PROFIBUS现场总线组成控制网络,完成数据传输;以热电偶为温度传感器完成温度的采集,以带状加热器和冷却风机为执行器控制加热功率;以IPC机和PLC作为控制器,其中IPC机实现上层智能控制算法,将相关参数传送给PLC,PLC以PID算法为基础完成现场的控制。在软件方面,分别给出了IPC机和PLC的控制结构和主要控制流程;设计了挤出机温度监控系统,实现人机交互和整个系统的监控,并完成相关参数的设定、系统数据的存储、实时和历史数据的显示、系统报警等功能。智能控制与PID相结合的控制算法能够完成控制要求,表明了算法的有效性和可行性,并且控制效果优于常规PID及其他非解耦控制算法。基于该算法的挤出机温度控制系统采用开放式的组网方案,便于日后的维护和拓展,具有很强的灵活性和实用性。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 论文的研究背景及意义

1.2 国内外发展现状与研究水平

1.2.1 塑料挤出技术与挤出机的发展

1.2.2 温度控制的发展与研究现状

1.2.3 挤出机温度控制技术的国内外发展状况

1.3 研究目的及来源

1.4 论文的研究内容与结构安排

第2章 塑料挤出机温度控制系统总体结构

2.1 塑料挤出机温度控制概述

2.1.1 塑料挤出机结构及工作原理

2.1.2 温度对塑料挤出生产系统的影响

2.1.3 塑料挤出机温度控制的特点及工艺要求

2.2 塑料挤出机温度控制系统整体设计

2.2.1 控制系统的整体构架

2.2.2 控制策略的选择

2.3 本章小结

第3章 塑料挤出机温度控制系统智能算法

3.1 PID控制方法及其局限性

3.1.1 PID控制理论

3.1.2 数字化的PID控制方法及改进

3.1.3 纯PID控制方法在挤出机温度控制系统中的应用及其局限性.

3.2 智能控制方法及其应用

3.2.1 智能控制的特点与优越性

3.2.2 智能控制的主要方法

3.3 智能控制与PID相结合的控制方法研究

3.4 挤出机温度的智能控制系统算法设计

3.4.1 基于模糊控制的PID多回路抗耦合控制算法

3.4.2 PID控制方法的优化

3.5 本章小结

第4章 塑料挤出机温度控制系统硬件设计

4.1 检测部分硬件设计

4.1.1 检测传感器的选择

4.1.2 检测点选择

4.2 执行部分硬件设计

4.2.1 执行器的选择

4.2.2 执行驱动器的选择

4.2.3 执行器的位置与数量确定

4.3 控制器部分硬件设计

4.3.1 控制器类型的选择

4.3.2 PLC相关模块的选择

4.4 系统硬件连接

4.5 本章小结

第5章 塑料挤出机温度控制系统软件设计

5.1. 控制系统软件结构

5.2. IPC机智能控制算法的软件实现

5.3 PLC现场级控制的软件实现

5.3.1 STEP7编程软件

5.3.2 S7-300程序设计

5.4 上位机温度监控系统设计

5.4.1 InTouch组态软件的体系结构

5.4.2 InTouch与PLC之间通信的实现

5.4.3 温度监控系统界面设计

5.5 系统调试

5.5.1 系统硬件连接调试

5.5.2 软件逻辑功能调试

5.5.3 参数整定

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文