CTS7-200PLC在挤出吹塑成型控制系统中的应用

摘要：本文介绍挤出吹塑成型的工艺过程，根据挤出吹塑成型工艺，结合CTS7200系列PLC的特点，描述了挤出吹塑成型控制系统的实现过程，重点突出CTS7200系列PLC在挤出吹塑成型系统中使用的优势。
　　
　　一、引言
　　随着石化工业的发展，人类日常生活及各行业对塑料制品的需求日益增长，极大地推动了塑料工业的发展。目前，塑料已广泛应用于机械、电子、医药、家用电器、食品、汽车及人类日常生活用品之中，尤其近年来随着人类生活水平的提高、消费意识的变化以及旅游产业的发展，中空制品已广泛用来盛装矿泉水、可乐等软性饮料，还包括奶瓶、药瓶、化妆品瓶等。
　　
　　挤出吹塑成型机是中空容器成形的主要设备，世界上80%至90%的中空容器是采用挤吹成形的。在我国中空塑料成型机的发展历程中，挤出吹塑成型机是发展最快最完善的中空塑料成型机，特别是小型挤出吹塑成型机的发展速度特别快。
　　
　　近年来，挤出吹塑成型的主要技术趋势是朝着自动化、智能化、高精度和高速度的方向发展。因此，要适应该行业技术发展趋势，就必需提高挤出吹塑成型的整体技术含量，其中就包括挤出吹塑成型的控制系统。
　　
　　本文描述的挤出吹塑成型控制系统核心采用TrustPLC? CTS7-200系列PLC，CTS7-200 PLC采用了高性能RISC芯片技术和软件优化设计，布尔指令执行速度达到0.15μs每步，浮点运算速度达到8μs，开关量点数多达248点，模拟量点数多达56点，扩展I/O模块种类多达26种，因而无论是替代传统继电器完成简单控制，还是应用于特殊场合实现复杂控制，无论是快速的离散量顺序处理，还是复杂的运动控制，CTS7-200 PLC都游刃有余。其专门为温度控制应用而量身订制的PID温控扩展模块，内置PID温控算法，用户无需编程即可实现复杂的闭环温度控制，而且减轻了CPU的运算负担，控制速度更快，效果更出色。
　　
　　另外其针对电子尺推出的高速输入模块精度高达16位，单通道转换时间小于200us，而且模块本身提供1路10VDC电源输出，极大的方便了基于电子尺的应用。
　　
　　高性能的CPU、智能PID模块加上高速输入模块等组合使用，大大提高挤出吹塑成型机的性能。
　
　　二、挤出吹塑成型工艺过程
　　挤出吹塑机是挤出机与吹塑机和合模机构的组合体，由挤出机及型坯模头﹑吹胀装置﹑合模机构﹑型坯厚度控制系统和传动机构组成。其工艺过程如下：
　　
　　1．塑料的挤出
　　
　　塑料加热熔化后塑炼和混合均匀成流体，再以一定的压力和容量挤入机头。
　　
　　2．型坯的形成
　　
　　机头内的流体在重力和挤出压力的作用下，通过机头口模挤出形成所需的型坯。
　　
　　3．型坯的吹胀
　　
　　将达到要求长度的型坯置于吹塑模具内合模，由模具上的刃口将型坯切断，通过模具上的进气口输入一定压力的气体吹胀型坯，使制品和模具内表面紧密接触。
4．制品的冷却
　　
　　保持模具型腔内的气压，等待制品冷却定型。
　　
　　5．制品的脱模
　　
　　冷却定型完成后，打开模具，由机械手将制品取出。
　　
　　在吹塑过程中，型坯的形成和吹胀是吹塑过程的核心，型坯形成和吹胀质量的高低直接影响着容器制品的质量好坏，而熔料的受热温度、挤出压力和和冷却时间将直接影响型坯的成型和吹胀质量。型坯壁厚在吹气成型过程中若没有得到有效控制，冷却后会出现厚薄不均的状况，胚壁产生的应力也不同，薄的位置容易出现破裂。因此，控制型胚壁厚对于提高产品质量和降低成本也同样重要。
　　
　　综上所述，如何控制挤出机的受热温度、挤出压力、制品的冷却时间以及型胚壁厚成为影响容器制品质量的几个关键因素。
　　
　　　
　　
　　三、控制系统设计
　　3.1 系统原理及配置
　　
　　粒状或粉状的塑料经挤出机塑化达熔融状态，通过采集电子尺数据，反馈控制挤出熔料量，使熔料通过预定流速进入机头。当储料量达预定值时，机头口模打开，并根据设定的型坯壁厚曲线，调节模芯进行型坯壁厚控制。然后，将完成的制品型坯置于吹塑模腔内，模具按照设定的速度进行合模，合模时要求运动平稳，左右平衡。合模后进行吹气，型坯在气体压力的作用下紧贴模具内壁，保持压力冷却定型后开模，由机械手取出制品。
　　
　　系统电气控制部分的主要配置如下：
　　
　　（1）控制器采用CTS7-200 PLC进行动作控制和50点型坯壁厚控制。
　　
　　（2）温度的测量采用工业铠装热电偶。温度控制由CTS7-200系列的8路热电偶模块CTS7 231-7TF22 完成，该模块集成控制器带智能PID算法，只要设置几个参数，231-7TF22模块就可以自行对所控温区进行加热或冷却，并将实时温度反馈给CPU。
　　
　　（3）挤出压力控制由模拟量输入模块采集压力传感器的信号来控制挤出机螺杆的转速，周时将实时压力显示在触摸屏上。
　　
　　（4）壁厚控制由231-7HC22高速输入模块采集型坯长度和模芯间隙的电子尺反馈信号，然后通过4通道模拟量输出模块232-0HF22控制执行机构驱动伺服阀来实现。
　　
　　（5）操作面板采用触摸屏完成整机的型坯温度、挤出压力、型坯壁厚以及冷却时间等各种工艺参数的设定、修改、画面显示等，采用菜单式程序控制，操作简便可靠。
　　
　　3.2 温度控制系统
　　
　　在挤出吹塑的过程中，要使熔料温度稳定在设定温度，所以同时配有加热和冷却设备，常用的是电阻加热和风扇冷却。
　　
　　挤出机的温度控制由PID模块CTS7 231-7TF22独立完成。CTS7 231-7TF22模块集成智能PID控制器，具有8路热电偶输入，控制过程的数据通过数据存储区与CPU交换，控制精度达到±1℃。将初始PID参数和设定温度送给该模块，使能该模块的PID控制，模块便将热电偶所测得的温度送给PID控制器进行运算，然后将实时温度和运算得出的控制动作写入数据存储区，同时对PID三个控制环节的参数进行优化。CPU根据数据存储区中的值来控制输出(PWM模式下输出给DO点，模拟量模式下输出给AO)，实现温度闭环控制 。PID参数的设置、温度设定、启停控制、实时温度、温度曲线都在触摸屏上实现。
　　
　　如下图所示：

3.3 压力控制系统
　　
　　挤出压力对于熔料的流变性能来说也是重要的影响因素，如果挤出工艺稳定，加工温度和螺杆速度不变，黏度是一个常数。根据黏性流体的流动方程式可知，挤出机的挤出量与螺杆转速成正比，而机筒压力成反比。因此，控制好挤出压力是型坏形成质量的重要保障。压力控制系统如图所示，图中所示压力控制是一个闭环系统，将压力传感器反馈的数据和所需的压力进行比较，并根据比较结果调整挤出机的螺杆转速。

3.4 型坯壁厚控制
　　
　　中空容器制品因其强度要求规定了最小壁厚，而早期的中空吹塑成型设备缺少型坯壁厚控制系统，为使制品最薄处达到最小壁厚要求，制品的其它部位就要相应加厚，造成材料的浪费。为了节省成本、缩短制品冷却时间、加快制品生产周期，一种比较经济的做法就是控制型坯壁厚。熔料从口模挤出处于黏流态流动一段时间，由于原材料特性、挤出温度和挤出流量随时间变化呈非线性变化，所以型坯在挤出过程中，型坯壁厚发生变化。为使挤出吹塑制品满足壁厚要求，必须采取有效措施控制型坯壁的厚度。

壁厚控制系统是对模芯缝隙的开合度进行控制的系统，也即位置伺服系统，它由控制器、电液伺服阀、动作执行机构和作为位置反馈的电子尺构成。当机头口模打开时，PLC读取机筒电子尺反馈的型坯长度，然后根据型坯壁厚曲线，通过模拟量输出模块输出±10V的电压信号给电液伺服阀，伺服阀直接驱动执行机构控制模芯上下移动，调整口模与芯模的间隙来完成口模开度的控制，进而完成型坯壁厚的闭环控制。此时，壁厚型坯设定采用数字化方式，通过操作面板完成50点型坯壁厚控制的设定，型坯壁厚曲线的纵坐标显示型坯长度，横坐标显示口模开度。
　　
　　3.5 冷却时间控制
　　
　　在整个吹塑成形的过程中，冷却时间是控制制品的外观质量、性能和生产效率的一个重要的工艺参数。控制适当的冷却时间可防止型坯因弹性回复而引起的形变，使制品外形规整，表面图文清晰，质量优良。但是，如果冷却时间过长，那么就会造成因制品的结晶度增加而降低韧性和透明度，生产周期延长，生产效率降低。如果冷却时间过短，那么所吹制的容器会产生应力而出现孔隙，影响制品质量。因此，在挤出吹塑中需要对冷却时间做较精确的控制。
　　
　　4. 应用实例
　　
　　广东某机械实业有限公司是挤出吹塑中空成型机的专业制造厂家，其吹瓶机的控制核心采用CTS7-200系列PLC。CTS7-200系列PLC的CPU比西门子的CPU运算速度更快，配合高速的模拟量输入模块和智能PID温控模块，使该机的控制系统上了一个台阶。另外该产品的单个模块具有较大的点数（如8路智能PID模块，8AI模块，4AQ模块等），为用户节约了成本。
　　CTS7-200系列PLC产品在该公司使用已有较长时间，在为该公司提高产品综合性能的同时，也节约了成本，进而增强了其市场竞争力。