V80 系列PLC 在擠出吹塑成型控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要：本文介紹了V80 系列PLC 在擠出吹塑成型控制系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，詳細(xì)闡述了擠出吹塑成型機(jī)的工藝過程，針對型坯溫度、擠出壓力、冷卻時間和型坯壁厚等方面的控制特點(diǎn)，以V80 系列PLC 為例，重點(diǎn)描述了擠出吹塑成型控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程，最后說明該控制系統(tǒng)具有良好的工程應(yīng)用和市場推廣價值。
關(guān)鍵詞：PLC、吹塑成型、溫度、壓力、壁厚控制
1．引言
擠出吹塑成型機(jī)是目前產(chǎn)量最大的一種生產(chǎn)容器和中空制品的吹塑成型設(shè)備，可生產(chǎn)出從最小只有1ml 到最大可達(dá)10000l 的各種容器制品，如牛奶瓶、飲料瓶、洗滌劑瓶、化妝品瓶以及化學(xué)試劑桶、飲料桶、礦泉水桶等。
近年來，擠出吹塑成型的主要技術(shù)趨勢是朝著自動化、智能化、高精度和高速度的方向發(fā)展。因此，如何提高傳統(tǒng)擠出吹塑成型的整體技術(shù)含量，使之適應(yīng)該行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢要求是很重要的課題。
本文描述的擠出吹塑成型機(jī)采用德維森科技（深圳）有限公司開發(fā)生產(chǎn)的V80 系列PLC作為主要的電氣控制系統(tǒng)，應(yīng)用情況說明該系統(tǒng)完全可以符合自動化、智能化、高精度和高速度的技術(shù)發(fā)展趨勢。
第一，V80 系列PLC 高度融合了電子技術(shù)、自動化技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，用V80 系列PLC作為吹塑成型機(jī)的控制系統(tǒng)，將使吹塑成型機(jī)具有擠出、合模、吹脹、冷卻和開模等過程的自動控制功能，同時具有擠出型坯溫度、擠出壓力和冷卻溫度的自動調(diào)節(jié)功能，向著自動化和智能化的方向發(fā)展。
第二，V80 系列PLC 中的具備高精度的熱電偶模塊和模擬量輸入輸出擴(kuò)展模塊，可以滿足型坯溫度、擠出壓力、型坯壁厚的高精度控制要求，達(dá)到制品成型所要求的質(zhì)量要求，而且精度重復(fù)性好；采用高速硬件解析技術(shù)的CPU 模塊和本身帶有CPU 芯片和專用共享數(shù)
據(jù)區(qū)的模擬量擴(kuò)展模塊，可極大地提高熔料塑化速度，擠出速度以及開合模速度，縮短了成型周期，并保證了制品的成型質(zhì)量。
2．設(shè)備工藝過程
擠出吹塑是制造空心塑料制品的成型方法，是借助氣體氣體壓力使模具內(nèi)的熱型坯吹脹成容器的。擠出吹塑設(shè)備由擠出機(jī)、機(jī)頭、模具、吹氣系統(tǒng)和鎖模裝置構(gòu)成，如圖1 所示，
其工藝過程：
（1） 將熱塑性塑料從進(jìn)料口進(jìn)入機(jī)筒內(nèi)，由擠出機(jī)將塑料熔化成熔料流體，經(jīng)過擠壓系統(tǒng)塑煉和混合均勻的熔料以一定的容量和壓力由機(jī)頭口模擠出形成型坯；
（2） 將達(dá)到規(guī)定長度的型坯置于吹塑模具內(nèi)合模，并由模具上的刃口將型坯切斷；
（3） 由模具上的進(jìn)氣口通過壓縮空氣以一定的壓力吹脹型坯；
（4） 保持模具型腔內(nèi)壓力，使制品和模具內(nèi)表面緊密接觸，然后冷卻定型，開模取出制品。
在吹塑過程中，型坯的形成和吹脹是吹塑過程的核心，型坯形成和吹脹質(zhì)量的高低直接影響著容器制品的質(zhì)量好壞，而熔料的受熱溫度、擠出壓力和和冷卻時間將直接影響型坯的成型和吹脹質(zhì)量。型坯壁厚在吹氣成型過程中若沒有得到有效控制，冷卻后會出現(xiàn)厚薄不均的狀況，胚壁產(chǎn)生的應(yīng)力也不同，薄的位置容易出現(xiàn)破裂。因此，控制型胚壁厚對于提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本也同樣重要。
綜上所述，如何控制擠出機(jī)的受熱溫度、擠出壓力、制品的冷卻時間以及型胚壁厚成為影響容器制品質(zhì)量的幾個關(guān)鍵因素。
3．控制系統(tǒng)設(shè)計
3.1 系統(tǒng)原理及配置
粒狀或粉狀的塑料經(jīng)擠出機(jī)塑化達(dá)熔融狀態(tài)，通過采集電子尺數(shù)據(jù)，反饋控制擠出熔料量，使熔料通過預(yù)定流速進(jìn)入機(jī)頭。當(dāng)儲料量達(dá)預(yù)定值時，由PLC 控制機(jī)頭口模打開。根據(jù)設(shè)定的型坯壁厚曲線，由PLC 完成進(jìn)行型坯壁厚控制。同時，將熔融物料壓出形成制品型坯，模具成型機(jī)合模機(jī)構(gòu)采用四拉桿三板聯(lián)動系統(tǒng)，合模機(jī)的運(yùn)動速度按設(shè)定值實(shí)現(xiàn)自控，運(yùn)動平穩(wěn)。合模后吹氣，型坯在模具內(nèi)成型為中空制品，冷卻定型后開模，由PLC 控制機(jī)械手取出制品。
系統(tǒng)電氣控制部分的基本配置如下：
（1）控制器采用德維森科技（深圳）有限公司生產(chǎn)的V80 系列PLC 進(jìn)行動作控制和50 點(diǎn)型坯壁厚控制。
（2）溫度的測量采用工業(yè)鎧裝熱電偶，溫度控控制由V80 系列的熱電偶模塊E5THM完成，該模塊本身內(nèi)置CPU 芯片， 可執(zhí)行PID 算法，在上電設(shè)置好參數(shù)后，E5THM 模塊就可以自行控制固態(tài)繼電器的通斷，從而控制溫度的穩(wěn)定，波動范圍小。
（3）壓力傳感器采用的是PT124 型壓力傳感器，數(shù)據(jù)采集工作由V80 系列的8 通道模擬量輸入模塊E8AD1 完成。
（4）壁厚控制由機(jī)筒電子尺反饋型坯長度給PLC，然后通過V80 系列的4 通道模擬量輸出模塊E4DA1 控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動伺服閥完成。
（5）操作面板采用觸摸屏完成整機(jī)的型坯溫度、擠出壓力、型坯壁厚以及冷卻時間等各種工藝參數(shù)的設(shè)定、修改、畫面顯示等，采用菜單式程序控制，操作簡便可靠，能使設(shè)備經(jīng)常處于良好運(yùn)行狀態(tài)，并保證人機(jī)安全生產(chǎn)。
3.2 溫度控制系統(tǒng)
在擠出吹塑的過程中，需要加熱和散熱工作在平衡狀態(tài)，以使擠出熔料溫度達(dá)到某一動態(tài)平衡。因此，擠出過程的溫度需要實(shí)時測量和控制。圖2 所示為擠出吹塑機(jī)的溫度控制系統(tǒng)框圖。
擠出機(jī)的溫度經(jīng)熱電偶采集到熱電偶模塊E5THM 中，模塊內(nèi)本身內(nèi)置CPU 芯片，具有5 路熱電偶輸入和5 路晶體管PWM 輸出，可以在模塊內(nèi)完成PID 控制算法，控制精度為±1℃。E5THM 采集到的溫度信號與設(shè)定溫度比較得到偏差信號，如果測量溫度大于設(shè)定值，則模塊按時間周期占空比的PID 算法，通過PWM 脈沖調(diào)寬技術(shù)控制固態(tài)繼電器動作，使擠出機(jī)加熱裝置停止加熱，反之亦然, 進(jìn)行冷卻控制操作。機(jī)筒溫度設(shè)定和實(shí)時溫度顯示可以通過觸摸屏完成。
3.3壓力控制系統(tǒng)
擠出壓力對于熔料的流變性能來說也是重要的影響因素，如果擠出工藝穩(wěn)定，加工溫度和螺桿速度不變，故黏度是一個常數(shù)。根據(jù)黏性流體的流動方程式可知，擠出機(jī)的擠出量與螺桿轉(zhuǎn)速成正比，而機(jī)筒壓力成反比。
因此，擠出過程的壓力很重要，需要進(jìn)行實(shí)時測量，以保障形成型坯的質(zhì)量，進(jìn)而保證了制成品的產(chǎn)品質(zhì)量，壓力測量系統(tǒng)如圖3 所示。
3.4型坯壁厚控制
熔料從口模擠出處于黏流態(tài)流動一段時間，由于原材料特性、擠出溫度和擠出流量隨時間變化呈非線性變化，所以型坯在擠出過程中，型坯壁厚發(fā)生變化。為使擠出吹塑制品滿足壁厚要求，必須采取有效措施控制型坯壁的厚度。
壁厚控制系統(tǒng)是對模芯縫隙的開合度進(jìn)行控制的系統(tǒng)，也即位置伺服系統(tǒng)，它由控制器、電液伺服閥、動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)和作為位置反饋的電子尺構(gòu)成。當(dāng)機(jī)頭口模打開時，PLC 讀取機(jī)筒電子尺反饋的型坯長度，然后根據(jù)型坯壁厚曲線，通過高精度模擬量輸出模塊E4DA2 輸出±10V 的電壓信號給電液伺服閥，伺服閥直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模芯上下移動，調(diào)整口模與芯模的間隙大小來完成口模開度的控制，進(jìn)而完成型坯壁厚的閉環(huán)控制，如圖4 所示。此時，壁厚型坯設(shè)定采用數(shù)字化方式，通過操作面板完成50 點(diǎn)型坯壁厚控制的設(shè)定，型坯壁厚曲線的縱坐標(biāo)顯示型坯長度，橫坐標(biāo)顯示口模開度。
3.5 冷卻時間控制
在整個吹塑成形的過程中，冷卻時間是控制制品的外觀質(zhì)量、性能和生產(chǎn)效率的一個重要的工藝參數(shù)。
控制適當(dāng)?shù)睦鋮s時間可防止型坯因彈性回復(fù)而引起的形變，使制品外形規(guī)整，表面圖文清晰，質(zhì)量優(yōu)良。但是，如果冷卻時間過長，那么就會造成因制品的結(jié)晶度增加而降低韌性和透明度，生產(chǎn)周期延長，生產(chǎn)效率降低。如果冷卻時間過短，那么所吹制的容器會產(chǎn)生應(yīng)力而出現(xiàn)孔隙，影響制品質(zhì)量。因此，在擠出吹塑中需要對冷卻時間做較精確的控制。
本系統(tǒng)中，V80 系列PLC 的時間定時器分辨率可達(dá)到1 毫秒，可通過觸摸屏設(shè)定精確的冷卻時間，使有效提高吹塑成形生產(chǎn)效率的同時，保障制品的外觀質(zhì)量和性能。
4. 結(jié)論
本文給出了V80 系列PLC 在擠出吹塑成型系統(tǒng)中的控制方案，重點(diǎn)闡述了PLC 在型坯溫度、擠出壓力、冷卻時間和型坯厚度等方面的控制特點(diǎn)，說明該控制系統(tǒng)完全可以滿足當(dāng)前吹塑成型機(jī)對自動化、智能化、高精度和高速度的技術(shù)要求。
該系統(tǒng)已在華南某家擠出吹塑成型機(jī)生產(chǎn)廠家中獲得了的應(yīng)用，經(jīng)過近一年的使用，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，有效地提高了型坯溫度、擠出壓力、冷卻時間和型坯壁厚的控制精度，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，具有良好的工程應(yīng)用和市場推廣價值。