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10回路PID温度控制智能模块在塑料机的应用-集智达智能测控模块RemoDAQ-7110

一、概述

目前,国内大多数经济型塑料挤出机的温度控制系统普遍采用离散式仪表控制方案和PLC集中控制方案两种。对于离散式仪表控制方案,固然具有价格低的上风,但在控制功能上受到很多限制,主要体现在对各离散单元单独进行控制,整个系统无法实施综合控制,多只温控表的使用,一方面使温控电路结构复杂,故障率增加,另一方面由于温控表多为断续控温方式,因此造成各加热区温度波动较大,影响了塑料制品的加工质量。

对于PLC集中控制方案,固然能对整个系统实施综合控制,但是要编写多回路的PID控温算法实现难度大,占用CPU的资源多,一旦温区超过8个则难以实现高精度的温度控制。假如采用高级别的CPU构建系统,则价格昂贵,性价比低。针对以上情况,我们采用了集智达智能温度测控模块RemoDAQ-7110(10回路PID温度控制智能模块)为控制核心构建挤出机的温度控制系统。该温控系统硬件简单、控温精度高、性能稳定,具有较高的实用价值。该系统也可以匹配多类型低级别的PLC,具有控温精度高、硬件简单、价格低、稳定可靠的优点。

 


二、系统配置及功能介绍


传统的控制方式有离散式仪表控制和PLC集中控制两种,第一种方式不具备集中控制的意义,故不作分析。以西门子S7-300的PLC构成16个温区的集中控制系统硬件配置如图1所示:


图1.PLC集中控制温度系统硬件配置


图中SM331是八路热电偶输入模块,SM322是16路开关量的输出模块,CPU314是西门子的中档CPU,它作为多回路PID的控制核心。由于考虑到每个温区有可能存在加热和冷却的需要,所以系统配置两个SM331,两个SM322,构成16路温度输入、32路开关量输出的控制系统(其他的开关量输入输出忽略)。该系统的控制精度取决于CPU314的运算速度和PID算法,假如采用STEP7的PID标准功能块,则对于纯滞后大惯性的控制对象,难以达到理想的效果;假如自己编写专用的PID控制算法则难度较大,而且调试难度很大。该系统还存在随着温区数目的增多(较多机型的温区在30个左右)存在价格升高、控制精度下降、故障点多等缺点。
以集智达智能温度测控模块RemoDAQ-7110为核心构建塑料挤出机温度控制系统是一个多温区控制的理想方案。系统硬件配置图如图2所示:

 


 
图2. 10回路PID温控模块的温控系统硬件配置


图中RemoDAQ-7110是北京集智达智能科技有限责任公司研发生产的具有自主知识产权的10回路PID温度控制智能模块,由于模块每回路均带有热电偶温度采集,加热/冷却开关量输出,因此只需要配置2个模块。各模块可独立的控制对应回路的温度值,CPU只需通过现场总线就可以轻松的控制各回路的启闭及获取各回路当前温度、设定温度值。因此系统硬件和软件大大简化,系统的控制精度、可靠性、稳定性大幅进步。


该模块内置PID高精度闭环控制算法,具有自适应闭环控制和人工远程实时控制功能,并且该模块具有断电数据保存、传感器断线、短路检测功能。模块热电偶输入通道采用隔离电路提供高过压保护;模块内置测温元件,自动完成热电偶冷端温度补偿;采用高精度A/D转换芯片,转换速度快,并能有效抑制扰动。模块供电电源输入端具有直流滤波器功能,抗干扰能力强;同时电源电路将采用过压保护,并适用于恶劣环境下运行。输出电路采用隔离PWM输出,可外接固态继电器和电磁继电器。采用标准工业通信接口RS-485,采用标准的Modbus-RTU协议,通信口采用高速光耦隔离,ESD保护,保证通信速度和质量。值得一提的是该控制模块的PID算法是针对纯滞后、大惯性对象而开发的模糊自适应PID控制算法,非常适合塑料螺杆挤出机、吸塑机、注塑机等的多温区精确控制。

三、10回路PID温度控制智能模块的工作原理


10回路的PID温度控制智能模块可以看做是10个独立的闭环反馈控制系统,在一个采样周期内, 温度传感器(热电偶)将检测到的料筒与机头温度信号PV,与设定值SV 进行比较,得到偏差e = SV—PV。结合所给的P、I、D 参数和温度控制策略进行PID运算得出控制输出值,经过脉宽调制,最后得到继电器在一个采样周期中的导通时间。通过控制继电器在一个采样周期中的导通时间即可控制加热器的加热时间,或者冷却风机的工作时间,从而达到精确控制温度的目的。10个回路独立工作,互不干扰,具有极高的稳定性和可靠性。
四、10回路PID温度控制智能模块的基本功能
1. 模块提供智能温度控制软件。该软件提供了单路通道参数的独立设定和独立控制功能。温度闭环控制分成自动自适应智能控制与手动设置PID调节器功能,用户可根据需要进行手动设置调节器参数,否则系统将按照默认值进行闭环调节。该软件还提供单回路的温度实时曲线检测功能,可以手动和自动的来选择所要观测的温度范围。
2. 模块软件将提供前馈控制设置功能。在正常PID的控制基础上要具有前馈功能,通过设定前馈量来实现与正常的PID输出进行叠加,作为最终的输出控制量。前馈的作用有个时间延时启动信号,启动后并进行计时,作用信号取消或计时时间到,前馈作用取消,按正常的PID进行控制。
3. 模块提供10路闭环控制输出功能,每路输出均可进行使能设置。同时,各通道输出启动的瞬间是分时顺序启动。可以通过对输出通道的时间设定来实现各通道之间的逻辑输出。
4. 模块对每路控制有特殊处理的功能。包括温度补偿功能、强制输出关断、时间延时、温度上下限设定、闭环控制复位等功能。
5. 模块提供相应的通信接口功能,可接收上位机的配置及相应的操作信号。还支持第三方软件对模块的数据读取和设定。


五、结束语


本文提出了一种性价比很高的塑料挤出机温度控制系统的解决方案,该方案不仅降低系统的配置本钱,而且大大进步了系统的控制精度、稳定性、可扩展性。非常适合各种多温区控制的设备使用。从使用效果得出,在新的温控系统控制下,挤出机工作平稳,取得良好的控制效果,控温速度快,温度超调量小于3℃,静态误差小于±1℃。该控制器不仅应用于塑料挤出机,还可以应用于注塑机、吸塑机、吹瓶机等机械的温度控制,具有广阔的应用远景

 

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