CN101117019B - 全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置及温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明之全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置是由PLC-高速单片机系统、温度传感器信号放大电路、加热装置驱动电路和操作面板组成的装置，其方法是：由温度传感器将温度信息转化为电信息，通过温度传感器信号放大电路的桥式检测电路经低通滤波器，将温度信号施加到运算放大器，放大后经高速单片机的A/D转换器转换为数字信号，然后与温度设置控制值比较后获得差值，再通过模糊PID计算得到控制值，将控制值转换为具有一定占空比的方波，经高速单片机的I/O口输出控制固态继电器驱动加热圈的加热功率；操作面板上的点阵液晶显示模块实时显示8路温度的动态值和设置控制值。该装置及方法温控效果精确、系统性价比高、操作简便。

Description

全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置及温度控制方法

技术领域

本发明涉及一种温控装置及温度控制方法，特别涉及一种全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置及其温度控制方法。

背景技术

在全自动注吹塑料中空成型机中，注吹塑料中空成型的重要工艺条件之一是影响塑化流动、冷却和气压吹瓶的温度，在注吹过程中，需要控制的温度有以下三种类型：1、料筒温度：料筒温度是注射模塑过程需要控制的温度之一，该温度主要影响塑料的塑化和流动：每一种塑料都具有不同的流动温度，而同一种塑料由于来源或牌号不同，其流动温度及分解温度也是有差别的，塑料在塑料中空成型机内的塑化过程也是不同的，因而选择料筒温度也不相同；2、喷嘴温度：喷嘴温度通常略低于料筒最高温度，这是为了防止熔料在直通式喷嘴可能发生的“流涎现象”，但喷嘴温度也不能过低，否则将会造成熔料的早凝而将喷嘴堵死，或由于早凝料注入模腔而影响制品的性能；3、模具温度：模具温度主要是影响塑料的流动和冷却，因此对制品的内在性能和表观质量影响非常大，模具温度的高低决定于塑料结晶性的有无、制品的尺寸与结构、性能要求以及其它工艺条件(如：熔料温度、注射速度及注射压力、注吹周期等)。此外，注吹中空成型的瓶子成型模温度也将直接影响塑料瓶的成型质量，尤其塑料瓶的外观质量。目前，全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置主要有3种类型：一是应用单片机或嵌入式芯片设计成专用控制装置，温度控制装置是专用控制装置的一部分，但需要修改时必须由设计专用控制装置厂家的工程师修改程序，现场工程师修改控制程序困难，修改方式不灵活；二是可编程控制器(以下简称：PLC)作为控制核心器件，温度控制仪表作为温度控制装置，这种方式下现场工程师可以根据注吹瓶的工艺要求修改PLC的控制程序，由于温度控制仪表完全自成系统，温度控制的效果不能够由控制装置根据不同工艺过程和温度控制值的高低自动调整，且所需温度控制仪表数量多(至少4个以上)，造成设备体积庞大；三是PLC作为控制核心、PLC的A/D、D/A模块作为温度控制装置的温度采集和控制信号输出器件、工业液晶显示模块作为人机界面，虽然现场工程师可以根据注吹瓶的工艺要求修改PLC控制程序，但系统价格很高，投入成本过大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由PLC作为控制核心，PLC-高速单片机系统组成的全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置，该装置综合上述三种装置的优点，具有现场工程师可以根据注吹瓶的工艺要求修改PLC的控制程序，温度控制可根据全自动注吹塑料中空成型机的工艺过程和温度控制值的高低选择控制参数，自动调整温控效果、温控效果精确的特点且系统性价比高，较好地解决了已有技术的不足。

本发明的另一目的是提供一种运用上述控制装置对全自动注吹塑料中空成型机注吹过程进行温度控制的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置，是一种闭环模糊PID温度控制装置，包括PLC-高速单片机系统、N路温度传感器信号放大电路、N路加热装置驱动电路和操作面板；PLC-高速单片机系统由PLC、高速单片机、电平转换电路、电流方向控制电路和PLC-高速单片机系统电路板组成；温度传感器信号放大电路有N路；加热装置驱动电路有N路，每一路由带光电隔离的固态继电器、加热圈和单相自动空气开关组成；操作面板由矩阵键盘、点阵液晶显示模块、液晶显示模块控制器、触摸屏、触摸屏接口电路、按键、系统及温度控制电源开关、发光二极管和矩阵键盘与键盘电路板组成；

PLC通过接线端子与高速单片机、相互连接的电平转换电路和电流方向控制电路连接，还通过接线端子连接矩阵键盘；

PLC与高速单片机之间通过PLC的I/O端口组成8位数据总线和4位地址总线相联接，高速单片机获得全自动注吹塑料中空成型机的各种工作状态信息，作为温度模糊PID控制算法的控制参数选择的依据之一；

高速单片机与按键直接连接，还通过接线端子连接触摸屏接口电路，触摸屏接口电路连接触摸屏，据此高速单片机获得温度的控制设置值和控制命令，作为温度模糊PID控制算法的控制参数选择的依据之二；

高速单片机内部N路12位A/D转换器与N路温度传感器信号放大电路连接，N路温度传感器信号放大电路通过连接端子分别与对应的温度传感器连接，获得温度的实时信号；

高速单片机通过接线端子与带光电隔离的固态继电器的控制端连接，固态继电器分别与加热圈或加热管连接；

高速单片机通过接线端子连接液晶显示模块控制器，液晶显示模块控制器连接点阵液晶显示模块，实现对温度的监控；上述N的取值范围是：N＝4或8。

所述N路温度传感器信号放大电路的每一路温度传感器信号放大电路由桥式检测电路、低通滤波器、运算放大器组成：温度传感器，桥式检测电路电阻I、II、III、IV、V，二极管组成桥式检测电路，温度传感器的一端接地，温度传感器的另一端与桥式检测电路电阻I的连接线作为桥式检测电路的一个输出端，并连接由滤波电容I、II和滤波电阻组成的滤波器，滤波电阻和滤波电容II的公共接点连接第一电阻，第一电阻与运算放大器的一个输入端连接；二极管一端接在桥式检测电路电阻V桥式检测电路电阻IV的连接点上、另一端接地，桥式检测电路电阻V和桥式检测电路电阻III的连接线作为桥式检测电路的另一个输出端并连接第二电阻，第二电阻与运算放大器的另一个输入端连接；第一电容并联连接在运算放大器的两输入端，反馈电阻位于运算放大器的一个输入端与运算放大器的输出端之间，第二电容并联连接在运算放大器输出端和地之间，运算放大器的输出端与高速单片机内部的A/D转换器的输入端连接；上述N的取值范围是：N＝4或8。

加热装置驱动电路由带光电隔离的固态继电器、加热圈和单相自动空气开关组成，固态继电器的控制端一端接地，另一控制端通过接线端子与高速单片机的I/O端口连接，固态继电器输出驱动端口的一端与加热圈、单相自动空气开关以及220V交流电源顺序连接，输出驱动端口的另一端与220V交流电源的另一端相连接并与上述单相自动空气开关、加热圈形成回路。

操作面板由矩阵键盘、点阵液晶显示模块、液晶显示模块控制器、触摸屏、触摸屏接口电路、按键、系统及温度控制电源开关、发光二极管和矩阵键盘与键盘电路板组成，矩阵键盘通过接线端子与PLC连接，点阵液晶显示模块与液晶显示模块控制器连接，触摸屏与触摸屏接口电路连接，液晶显示模块控制器和触摸屏接口电路通过接线端子连接高速单片机，按键和发光二极管直接与高速单片机连接，触摸屏覆盖在点阵液晶显示模块的显示屏上面，矩阵键盘、按键和发光二极管安装在矩阵键盘与键盘电路板上，PLC-高速单片机系统电路板安装在键盘电路板下面，系统及温度控制电源开关安装在操作面板上的左边。

一种全自动注吹塑料中空成型机的温度控制方法，是利用本发明上述由PLC-高速单片机系统、N路温度传感器信号放大电路、N路加热装置驱动电路和操作面板组成的闭环模糊PID温度控制装置，实现对全自动注吹塑料中空成型机注吹过程进行实时温度监视及调控；由操作面板上的按键或触摸屏输入全自动注吹塑料中空成型机的温度控制设置值和温度控制参数值，高速单片机从PLC的I/O端口组成的8位数据总线和4位地址总线获得全自动注吹塑料中空成型机的各种工作状态信息，高速单片机的温度信息从温度传感器信号放大电路获得，由温度传感器将温度信息转化为电信息，通过温度传感器信号放大电路的桥式检测电路经低通滤波器，将温度信号施加到运算放大器，放大后经高速单片机的A/D转换器转换为数字信号，然后与温度设置控制值比较后获得温度偏差，经过计算获得温度偏差变化率，再根据工作状态信息和温度控制值，确定模糊语言的变量值，经过模糊规则推理和清晰化，获得PID控制器的K_P、K_I、K_D参数，再通过PID计算得到控制值，将控制值转换为具有一定占空比的方波，经高速单片机的I/O口输出控制固态继电器驱动加热圈的加热功率。

由于采用上述结构，本发明之全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置及其用于全自动注吹塑料中空成型机进行温度控制的方法具有以下有益效果：

一、温度控制装置能根据全自动注吹塑料中空成型机工作步骤和温度控制设置值的高低自动修改模糊PID控制参数，达到高精度温度控制的效果：

在本发明之全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置中，高速单片机与PLC之间通过由PLC的I/O端口组成的8位数据总线和4位地址总线相联接，获得全自动注吹塑料中空成型机的工作状态信息，通过按键或触摸屏与高速单片机的连接，设置温度控制值，作为温度模糊PID控制算法的控制参数选择的依据；高速单片机内部的12位A/D转换器与温度传感器信号放大电路连接，然后与温度传感器连接以获得温度的数字信号；高速单片机通过连接液晶显示模块控制器以实现对温度的监控。因此，可根据全自动注吹塑料中空成型机的工作步骤和温度控制设置值的高低自动修改模糊PID控制参数，且可根据不同制瓶材料和制品瓶子形状工艺变化调整温控效果，从而达到高精度温度控制的效果；由于温度控制参数是按照全自动注吹塑料中空成型机不同工作状态下和温度控制值由高速单片机程序中设置模糊语言的变量值，模糊PID温度算法可以根据PLC的8位数据总线和4位地址总线传输给高速单片机的全自动注吹塑料中空成型机的运行状态自动选择控制参数，使得全自动注吹塑料中空成型机在尚未注吹瓶时，加热过程超调不会超过温度设置值2.5％，全自动注吹塑料中空成型机在正常注吹瓶时，同样能够达到温度超调不会超过温度设置值2.5％。

二、系统性价比高：

本发明之全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置用PLC-高速单片机系统及其温度传感器信号放大电路、加热装置驱动电路和操作面板组成的结构，就能够根据全自动注吹塑料中空成型机工作步骤和温度控制设置值的高低自动修改模糊PID控制参数，自动调整温控的效果，现场工程师可以针对不同制瓶材料和制品瓶子形状工艺变化以及注吹瓶的工艺要求在现场修改PLC控制程序，无需另外增加硬件，系统价格合理，系统整体性价比高。

三、自动化程度和可靠性高，操作简单：

使用本发明之全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置时，只需按下按键中的一个按键，该温度控制装置即进入温度控制值设置状态或温度控制参数设置状态，此时，操作者只需操作按键或触摸屏，即可对4路或8路温度控制设置值或4路或8路温度控制设置状态参数进行设置，温控过程是全自动的，可靠性高，不需要使用其他设备，操作起来非常方便。

四、人机界面友好：

本发明之全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置进行温控过程中，可通过操作面板上的液晶显示模块实时显示8路温度的动态值和设置控制值，在通过操作矩阵键盘或触摸屏设置温控参数过程中，也可通过液晶显示模块显示设置的参数值，操作过程一目了然，人机界面友好。

五、控制装置及其方法采用目前工程实际中应用广泛的模糊PID控制，其装置结构简单，参数调节稳定性好、工作可靠、调整方便，方法简单实用。

下面，结合附图和实施例对本发明之全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置及其用于全自动注吹塑料中空成型机温度控制的方法之技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1：本发明之全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置的结构原理框图；

图2：本发明之全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置的PLC-高速单片机系统电路图；

图3：本发明之全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置的温度传感器信号放大电路图；

图4：本发明之全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置的加热装置驱动电路图；

图5：本发明之全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置的操作面板示意图；

图6：本发明全自动注吹塑料中空成型机温度控制方法的步骤框图；

图7：本发明全自动注吹塑料中空成型机温度控制方法的高速单片机控制流程框图；

图8：本发明全自动注吹塑料中空成型机的温度控制方法的模糊PID控制器原理框图；

图9：本发明全自动注吹塑料中空成型机的温度控制方法的定时中断服务温度模糊PID控制步骤框图；

图10：本发明全自动注吹塑料中空成型机的温度控制方法的定时中断服务温度驱动框图。

图中：

I-PLC-高速单片机系统，    II-温度传感器信号放大电路，

III-加热装置驱动电路，    IV-操作面板；

1-PLC，2-高速单片机，4-矩阵键盘，5-点阵液晶显示模块，6-触摸屏，7-液晶显示模块控制器，8-触摸屏接口电路，9-电平转换电路，10-电流方向控制电路，11-按键，12-发光二极管，3、13、14、16、17-接线端子，15-温度传感器信号放大电路，18、21-固态继电器，19、22-加热圈，20、23-温度传感器，24-8位数据总线，25-4位地址总线，26-二极管，27-滤波电阻，28-第一电阻，29、30、31、32、33-桥式检测电路电阻I、II、III、IV、V，34-第二电阻，35-反馈电阻，36、37-滤波电容I、II，38-第一电容，39-第二电容，40-运算放大器，41-单相自动空气开关，42-系统及温度控制电源开关，43-矩阵键盘与键盘电路板，44-PLC-高速单片机系统电路板。

具体实施方式

实施例一：

一种全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置，由PLC-高速单片机系统I、温度传感器信号放大电路II、加热装置驱动电路III和操作面板IV组成；

如图1、图2所示：PLC-高速单片机系统I由PLC1、高速单片机2、电平转换电路9、电平方向控制电路10和PLC-高速单片机系统电路板44组成，高速单片机2、电平转换电路9和电平转换电路10安装在PLC-高速单片机系统电路板44上；

温度传感器信号放大电路II有8路，每一路温度传感器信号放大电路由桥式检测电路、低通滤波器、运算放大器组成；

加热装置驱动电路III由带光电隔离的固态继电器18和固态继电器21、加热圈19和加热圈22、单相自动空气开关41组成，固态继电器18和固态继电器21的控制端一端接地，另一控制端通过接线端子16与高速单片机2的I/O端口连接，固态继电器18或固态继电器21输出驱动端口的一端与加热圈19或加热圈22、单相自动空气开关41以及220V交流电源顺序连接，输出驱动端口的另一端与220V交流电源的另一端相连接并与上述单相自动空气开关41、加热圈19或加热圈22形成回路(参见图1、图4)；

操作面板IV由矩阵键盘4、点阵液晶显示模块5、液晶显示模块控制器7、触摸屏6、触摸屏接口电路8、按键11、系统及温度控制电源开关42、发光二极管12和矩阵键盘与键盘电路板43组成，矩阵键盘4通过接线端子3和接线端子14与PLC1连接，点阵液晶显示模块5与液晶显示模块控制器7连接，触摸屏6与触摸屏接口电路8连接，液晶显示模块控制器7与触摸屏接口电路8通过接线端子13和接线端子14与高速单片机2连接，按键11和发光二极管12直接与高速单片机2连接，触摸屏6覆盖在点阵液晶显示模块5的显示屏上面，矩阵键盘4、按键11和发光二极管12安装在矩阵键盘与键盘电路板43上，PLC-高速单片机系统电路板44安装在键盘电路板43下面，系统及温度控制电源开关42安装在操作面板IV上的左边(参见图1、图5)。

PLC1通过接线端子14与高速单片机2、相互连接的电平转换电路9和电流方向控制电路10连接，还通过接线端子14和3连接矩阵键盘4；

PLC1与高速单片机2之间通过PLC1的I/O端口组成8位数据总线24和4位地址总线25相联接，高速单片机2获得全自动注吹塑料中空成型机的各种工作状态信息，作为温度模糊PID控制算法的控制参数选择的依据之一；

高速单片机2与按键11直接连接，还通过接线端子14、13连接触摸屏接口电路8，触摸屏接口电路8连接触摸屏6，据此高速单片机2获得温度的控制设置值和控制命令，作为温度模糊PID控制算法的控制参数选择的依据之二；

高速单片机2内部8路12位A/D转换器与8路温度传感器信号放大电路II连接，8路温度传感器信号放大电路II通过连接端子17分别与对应的温度传感器20或23连接，获得温度的实时信号；

高速单片机2通过接线端子16与带光电隔离的固态继电器18或21的控制端连接，固态继电器18或21分别与加热圈19或22连接；

高速单片机2通过接线端子14和接线端子13连接液晶显示模块控制器7，液晶显示模块控制器7连接点阵液晶显示模块5，实现对温度的监控；

温度传感器信号放大电路II有8路，每一路温度传感器信号放大电路由桥式检测电路、低通滤波器、运算放大器40组成：

温度传感器20或23，桥式检测电路电阻I29、II30、III31、IV32、V33，二极管26组成桥式检测电路，温度传感器20或23的一端接地，桥式检测电路电阻I29和温度传感器20或23的连接线作为桥式检测电路的一个输出端，并连接由滤波电容I36、II37和滤波电阻27组成的滤波器，滤波电阻27和滤波电容II37的公共接点连接第一电阻28，第一电阻28与运算放大器40的一个输入端连接；二极管26一端接在桥式检测电路电阻V33和桥式检测电路电阻IV32的连接点上、另一端接地，桥式检测电路电阻II30一端与桥式检测电路电阻I29、IV32的连接端相连并接5v电源正极，另一端接地，桥式检测电路电阻V33和桥式检测电路电阻III31的连接线作为桥式检测电路的另一个输出端并连接第二电阻34，第二电阻34与运算放大器40的另一个输入端连接；第一电容38并联连接在运算放大器40的两输入端，反馈电阻35位于运算放大器40的一个输入端与运算放大器的输出端之间，第二电容39并联连接在运算放大器40输出端和地之间，运算放大器40的输出端与高速单片机内部的A/D转换器的输入端连接(参见图3)；

本发明采用的PLC是具有输出端口为晶体管集电极开路功能的PLC，可用的型号有FX2N-80MT、FX2N-128MT。

本发明采用的高速单片机是以8051为内核的高速单片机，具有25MHz以上的晶振频率，指令执行为流水线方式，内部嵌入8路12位和8路8位的A/D转换器，64个I/O口，输出端口可编程设置为推挽输出或漏级开路输出功能的高速单片机，可用的型号有C8051F020，C8051F040，C8051F120，C8051F124。

作为本发明实施例的一种变换：所述温度传感器信号放大电路II的路数N也可以只有4路，与之相对应，其加热装置驱动电路III也只有4路。

作为本发明实施例的一种变换：所述加热装置驱动电路III中的加热圈19和加热圈22还可以替换为加热管，相对应的连接关系不变。

实施例二：

一种全自动注吹塑料中空成型机注吹过程温度控制的方法，该方法是利用本发明之由PLC-高速单片机系统、温度传感器信号放大电路、加热装置驱动电路和操作面板组成的闭环模糊PID温度控制装置，实现对全自动注吹塑料中空成型机注吹过程进行实时温度监视及调控；由操作面板上的按键或触摸屏输入全自动注吹塑料中空成型机的温度控制设置值和温度控制参数值，高速单片机从PLC的I/O端口组成的8位数据总线和4位地址总线获得全自动注吹塑料中空成型机的各种工作状态信息，高速单片机的温度信息从温度传感器信号放大电路获得，再由温度传感器将温度信息转化为电信息；通过温度传感器信号放大电路的桥式检测电路经低通滤波器，将温度信号施加到运算放大器，放大后经高速单片机的A/D转换器转换为数字信号，然后与温度设置控制值比较后获得温度偏差，经过计算获得温度偏差变化率，再根据工作状态信息和温度控制值，确定模糊语言的变量值，经过模糊规则推理和清晰化，获得PID控制器的K_P、K_I、K_D参数，再通过PID计算得到控制值，将控制值转换为具有一定占空比的方波，经高速单片机的I/O口输出控制固态继电器驱动加热圈的加热功率。

该控制方法包括以下步骤(参见图6)：

步骤1：温度控制值设置步骤：扫描按键或进行触摸屏的中断处理，获取输入确认的温度控制值并存贮到Flash Rom中，通过PLC的8位数据总线和4位地址总线读入成型机的当前工作状态；

步骤2：温度信息采集步骤：从N路温度传感器获得温度信息，经N路温度传感器信号放大电路滤波、放大，然后由高速单片机内的A/D转换器将N路温度模拟信号转换成N路数字信号；

步骤3：温控信息处理步骤：读入温度控制值，判断设备的运行状态和温度控制值，经过信息处理，通过模糊PID计算以得到N路温度控制值，上述设备运行状态包括：设备未运行状态、注射状态、溶胶状态、吹气排气状态以及其他运行状态；

步骤4：温控信息输出步骤：将步骤3中得到的N路温度控制值转换为可调制的方波，通过定时中断服务温度驱动控制，经高速单片机的I/O端口输出，以控制N路固态继电器驱动加热圈的加热功率；

步骤5：显示监控步骤：显示工作状态、温度设置值和实时温度值并将温控参数值显示在点阵液晶显示模块上；上述各步骤中，N的取值为：N＝4或8。

上述温度控制值设置步骤和所述显示监控步骤中，高速单片机信息处理的步骤(参见图7)如下：

aS1：高速单片机的I/O端口、点阵液晶显示模块、触摸屏控制器、A/D转换器、定时器以及中断系统的初始化；

aS2：判断触摸屏中断输入的信息是否有效，如果否，则跳转到步骤aS5；

aS3：清触摸屏中断有效信息标志；

aS4：进行信息的处理；

aS5：通过PLC1的8位数据总线24和4位地址总线25读入成型机的当前工作状态；

aS6：显示工作状态、温度设置值和实时温度值并返回步骤aS2。

本发明温度控制方法中，模糊PID计算的步骤(参见图9)为：

bSS1：判断温度控制值的高低，根据温度控制值范围获取对应的模糊控制参数和模糊子集，温度控制值设为4档，每一档的温度偏差e和温度偏差变化率ē的量化等级都为9级，取5个模糊子集，NB、NS、ZO、PS和PB，NB、NS、ZO、PS和PB的取值范围均为：[-6～6]；但对不同档的温度控制值的温度偏差e和温度偏差变化率ē的值与NB、NS、ZO、PS和PB有不同的对应关系，例如：e＝3，ē＝2时，在温度控制值＝280℃时，对应ZO；而在温度控制值＝180℃时，对应NS。

bSS2：判断所处的工艺过程，修正模糊控制参数：根据工艺过程对温度偏差e和温度偏差变化率ē的值与NB、NS、ZO、PS和PB的对应关系进行修正，例如：e＝3，ē＝2时，在温度控制值＝280℃时，对应为溶胶工作状态，修正为NS；

bSS3：计算温度偏差e值和温度偏差变化率ē值，结合bSS1、bSS2的结果模糊化；

bSS4：模糊规则推理并清晰化，根据离线完成并做成的模糊控制表，查表得到K_P、K_I和K_D的值，K_P的取值范围为：K_P＝0～6；K_I的取值范围为：K_I＝1～5；K_D的取值范围为：K_D＝0～3；

bSS5：将步骤bSS4得到的K_P、K_I和K_D的值通过增量PID控制算法得到输出控制量。

定时中断服务温度驱动控制的步骤(参见图10)为：

cSS1：设置路数为1；

cSS2：判断输出高电平参数是否等于零，如果否，则将该路端口设置为1及高电平参数减1并跳转到步骤cSS5；

cSS3：判断输出低电平参数是否等于零，如果否，则将该路端口设置为0及低电平参数减1并跳转到步骤cSS5；

cSS4：获取该路调制方波参数，设置该路输出端口为1及高电平参数减1；

cSS5：判断此次8路方波信号输出处理是否结束，如果是，则将路数设置为1并结束，如果否，则将路数加1并返回步骤cSS2。

本发明温度控制方法中所述的PID模糊计算是二输入三输出模糊PID控制算法，但是工艺过程和温度控制值对温度偏差e和温度偏差变化率

的模糊化产生影响。

目前，常规位置式PID调节器控制作用的一般形式为：

U(k)＝K_Pe(k)+K_I∑e(k)+K_DΔe(k)(k＝0，1，2，…)        (1)

式中：e(k)为输入偏差，Δe＝e(k)-e(k-1)为输入偏差变化率；K_P为比例放大系数，K_I积分作用参数，K_D为微分作用参数。

本发明之温度模糊PID控制器是根据增量控制算法，应用模糊推理的方法在线整定K_P、K_I、K_D的参数，温度模糊PID控制器的原理框图如图8所示。模糊参数调节器为二输入三输出的系统，输入1：温度偏差e；输入2：温度偏差变化率

；但是工艺过程和温度控制值对温度偏差e和温度偏差变化率

的模糊化产生影响。

增量式PID调节器控制作用的一般形式为：

ΔU(k)＝U(k)-U(k-1)＝K_PΔe(k)+K_Ie(k)+K_D[Δe(k)-Δ(k-1)](k＝0，1，2，…)(2)

温度偏差e和温度偏差变化率

的隶属度函数取三角形函数，二者均由模糊语言变量表示为负大NB，负小NS，零ZO，正小PS，正大PB。根据温度控制值和工艺过程的不同，可以由按键设置负大NB，负小NS，零ZO，正小PS，正大PB的值，即设置各工艺过程的模糊控制参数。在某一个工艺过程中，根据设置的模糊控制参数，温度偏差e和温度偏差变化率

，经过查表方式(模糊规则推理和清晰化)获得K_P、K_I、K_D参数，应用增量PID控制算法得到输出控制量，通过查表方式设置调制方波参数作为固态继电器的控制输入，固态继电器驱动加热圈加热。

下面，结合图1、图2、图3、图4、图5说明本发明之全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置的工作过程：

一、温度控制参数的设置：

1、闭合系统及温度控制电源开关41，PLC-高速单片机系统I通电，按下按键11，温度控制装置进入温度控制值设置状态，此时，可以应用如下2种方式之一进行设置：

①按键设置：通过按键11分别输入8路温度设置控制值，

②触摸屏设置：通过触摸屏6分别输入8路温度设置控制值；

2、再按下按键11，使得温度控制装置进入温度控制参数设置状态，可以应用如下2种方式之一进行设置：

①按键设置：通过按键11分别输入8路温度控制设置状态参数；

②触摸屏设置：通过触摸屏6分别输入8路温度控制设置状态参数；

3、通过点阵液晶显示模块5来显示全自动注吹塑料中空成型机在不同工作状态下的PID参数初值。

二、温度控制过程

本发明之全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置是闭环模糊PID温度控制装置，整个温控过程是全自动化的。全自动注吹塑料中空成型机在正常工作状态下，由温度传感器20和温度传感器23将温度信息转化为电信息，通过温度传感器信号放大电路II的桥式检测电路，经滤波电容36、滤波电容37和滤波电阻27组成的低通滤波器，将温度信号施加到运算放大器40，温度信号放大后经过高速单片机2的A/D转换器转换为数字信号，该数字信号与温度设置控制值比较后获得差值，再经过模糊PID算法，得到控制值，将控制值转换为具有一定占空比的方波，经高速单片机2的I/O口输出控制固态继电器18和固态继电器21驱动加热圈或加热管19、22的加热功率，操作面板IV上的点阵液晶显示模块5实时显示8路温度的动态值和设置控制值。

其控制方法的步骤如实施例二所述，本处不再赘述。

Claims (9)

1.一种全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置，其特征在于：该温度控制装置是由PLC-高速单片机系统(I)、N路温度传感器信号放大电路(II)、N路加热装置驱动电路(III)和操作面板(IV)组成的闭环模糊PID温度控制装置；

所述的PLC-高速单片机系统(I)由PLC(1)、高速单片机(2)、电平转换电路(9)、电流方向控制电路(10)和PLC-高速单片机系统电路板(44)组成；

所述的温度传感器信号放大电路(II)有N路；

所述加热装置驱动电路(III)有N路，每一路由带光电隔离的固态继电器(18、21)、加热圈(19、22)和单相自动空气开关(41)组成；

所述的操作面板(IV)由矩阵键盘(4)、点阵液晶显示模块(5)、液晶显示模块控制器(7)、触摸屏(6)、触摸屏接口电路(8)、按键(11)、系统及温度控制电源开关(42)、发光二极管(12)和矩阵键盘与键盘电路板(43)组成；

PLC(1)通过接线端子Ⅲ(14)与高速单片机(2)、相互连接的电平转换电路(9)和电流方向控制电路(10)连接，还通过接线端子Ⅲ(14)和接线端子Ⅰ(3)连接矩阵键盘(4)；

PLC(1)与高速单片机(2)之间通过PLC(1)的I/O端口组成8位数据总线(24)和4位地址总线(25)相联接，高速单片机(2)获得全自动注吹塑料中空成型机的各种工作状态信息，作为温度模糊PID控制算法的控制参数选择的依据之一；

高速单片机(2)与按键(11)直接连接，还通过接线端子Ⅲ、Ⅱ(14、13)连接触摸屏接口电路(8)，触摸屏接口电路(8)连接触摸屏(6)，据此高速单片机(2)获得温度的控制设置值和控制命令，作为温度模糊PID控制算法的控制参数选择的依据之二；

高速单片机(2)内部N路12位A/D转换器与N路温度传感器信号放大电路(II)连接，N路温度传感器信号放大电路(II)通过连接端子Ⅴ(17)分别与对应的温度传感器连接，获得温度的实时信号；

高速单片机(2)通过接线端子Ⅳ(16)与带光电隔离的固态继电器的控制端连接，固态继电器与加热圈或加热管连接；

高速单片机(2)通过接线端子Ⅲ(14)和接线端子Ⅰ(3)连接液晶显示模块控制器(7)，液晶显示模块控制器(7)连接点阵液晶显示模块(5)，实现对温度的监控；上述N的取值范围是：N＝4或8。

2.根据权利要求1所述的一种全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置，其特征在于：所述N路温度传感器信号放大电路(II)的每一路温度传感器信号放大电路由桥式检测电路、低通滤波器、运算放大器(40)组成：温度传感器，桥式检测电路电阻I、II、III、IV、V(29、30、31、32、33)，二极管(26)组成桥式检测电路，温度传感器的一端接地，温度传感器的另一端与桥式检测电路电阻I(29)的连接线作为桥式检测电路的一个输出端，并连接由滤波电容I、II(36、37)和滤波电阻(27)组成的滤波器，滤波电阻(27)和滤波电容II(37)的公共接点连接第一电阻(28)，第一电阻(28)与运算放大器(40)的一个输入端连接；二极管(26)一端接在桥式检测电路电阻V(33)和桥式检测电路电阻IV(32)的连接点上、另一端接地，桥式检测电路电阻V(33)和桥式检测电路电阻III(31)的连接线作为桥式检测电路的另一个输出端并连接第二电阻(34)，第二电阻(34)与运算放大器(40)的另一个输入端连接；第一电容(38)并联连接在运算放大器(40)的两输入端，反馈电阻(35)位于运算放大器(40)的一个输入端与运算放大器的输出端之间，第二电容(39)并联连接在运算放大器(40)输出端和地之间，运算放大器(40)的输出端与高速单片机内部的A/D转换器的输入端连接；上述N的取值范围是：N＝4或8。

3.根据权利要求1或2所述的一种全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置，其特征在于：所述由带光电隔离的固态继电器、加热圈和单相自动空气开关(41)组成的加热装置驱动电路(III)中，固态继电器的控制端一端接地，另一控制端通过接线端子IV(16)与高速单片机(2)的I/O端口连接，所述固态继电器输出驱动端口的一端与加热圈、单相自动空气开关(41)以及220V交流电源顺序连接，输出驱动端口的另一端与220V交流电源的另一端相连接并与上述单相自动空气开关(41)、加热圈形成回路。

4.根据权利要求1或2所述的一种全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置，其特征在于：所述的由矩阵键盘(4)、点阵液晶显示模块(5)、液晶显示模块控制器(7)、触摸屏(6)、触摸屏接口电路(8)、按键(11)、系统及温度控制电源开关(42)、发光二极管(12)和矩阵键盘与键盘电路板(43)组成的操作面板(IV)中；所述点阵液晶显示模块(5)与液晶显示模块控制器(7)连接，触摸屏(6)与触摸屏接口电路(8)连接，液晶显示模块控制器(7)和触摸屏接口电路(8)通过接线端子Ⅱ、Ⅲ(13、14)连接高速单片机(2)，键盘(11)和发光二极管(12)直接与高速单片机(2)连接，触摸屏(6)覆盖在点阵液晶显示模块(5)的显示屏上面，矩阵键盘(4)、按键(11)和发光二极管(12)安装在矩阵键盘与键盘电路板(43)上，PLC-高速单片机系统电路板(44)安装在键盘电路板(43)下面，系统及温度控制电源开关(42)安装在操作面板(IV)上的左边。

5.根据权利要求3所述的一种全自动注吹塑料中空成型机温度控制装置，其特征在于：所述的由矩阵键盘(4)、点阵液晶显示模块(5)、液晶显示模块控制器(7)、触摸屏(6)、触摸屏接口电路(8)、按键(11)、系统及温度控制电源开关(42)、发光二极管(12)和矩阵键盘与键盘电路板(43)组成的操作面板(IV)中，所述点阵液晶显示模块(5)与液晶显示模块控制器(7)连接，触摸屏(6)与触摸屏接口电路(8)连接，液晶显示模块控制器(7)和触摸屏接口电路(8)通过接线端子Ⅱ、Ⅲ(13、14)连接高速单片机(2)，键盘(11)和发光二极管(12)直接与高速单片机(2)连接，触摸屏(6)覆盖在点阵液晶显示模块(5)的显示屏上面，矩阵键盘(4)、按键(11)和发光二极管(12)安装在矩阵键盘与键盘电路板(43)上，PLC-高速单片机系统电路板(44)安装在键盘电路板(43)下面，系统及温度控制电源开关(42)安装在操作面板(IV)上的左边。

6.一种全自动注吹塑料中空成型机的温度控制方法，其特征在于：该控制方法是利用权利要求1至5中任意1项由PLC-高速单片机系统(I)、N路温度传感器信号放大电路(II)、N路加热装置驱动电路(III)和操作面板(IV)组成的闭环模糊PID温度控制装置实现对全自动注吹塑料中空成型机注吹过程进行实时温度监视及调控；它包括以下步骤：

步骤1：温度控制值设置步骤：扫描按键或进行触摸屏的中断处理，获取输入确认的温度控制值并存贮到Flash Rom中，通过PLC的8位数据总线和4位地址总线读入成型机的当前工作状态；

步骤2：温度信息采集步骤：从N路温度传感器获得温度信息，经N路温度传感器信号放大电路滤波、放大，然后由高速单片机内的A/D转换器将N路温度模拟信号转换成N路数字信号；

步骤3：温控信息处理步骤：读入温度控制值，判断设备的运行状态和温度控制值，经过信息处理，通过模糊PID计算以得到N路温度控制值，上述设备运行状态包括：设备未运行状态、注射状态、溶胶状态、吹气排气状态以及其他运行状态；

步骤4：温控信息输出步骤：将步骤3中得到的N路温度控制值转换为可调制的方波，通过定时中断服务温度驱动控制，经高速单片机的I/O端口输出，以控制N路固态继电器驱动加热圈的加热功率；

步骤5：显示监控步骤：显示工作状态、温度设置值和实时温度值并将温控参数值显示在点阵液晶显示模块上；

上述各步骤中，N的取值为：N＝4或8。

7.根据权利要求6所述的全自动注吹塑料中空成型机的温度控制方法，其特征在于：所述温度控制值设置步骤和所述显示监控步骤中，高速单片机信息处理的步骤如下：

aS1：高速单片机的I/O端口、点阵液晶显示模块、触摸屏控制器、A/D转换器、定时器以及中断系统的初始化；

aS2：判断触摸屏中断输入的信息是否有效，如果否，则跳转到步骤aS5；

aS3：清触摸屏中断有效信息标志；

aS4：进行信息的处理；

aS5：通过PLC(1)的8位数据总线(24)和4位地址总线(25)读入成型机的当前工作状态；

aS6：显示工作状态、温度设置值和实时温度值并返回步骤aS2。

8.根据权利要求6或7所述的全自动注吹塑料中空成型机的温度控制方法，其特征在于：所述模糊PID计算的步骤为：

bS1：判断温度控制值的高低，根据温度控制值范围获取对应的模糊控制参数和模糊子集；

bS2：判断所处的工艺过程，根据工艺工程对温度偏差e和温度偏差变化率ē的值与负大NB，负小NS，零ZO，正小PS和正大PB的对应关系进行修正；

bS3：计算温度偏差e值和温度偏差变化率ē值，结合bS1、bS2的结果模糊化；

bS4：模糊规则推理并清晰化，根据离线完成并做成的模糊控制表，查表得到K_P、K_I和K_D的值；

bS5：将步骤bS4得到的K_P、K_I和K_D的值通过增量PID控制算法得到输出控制量。

9.根据权利要求8所述的全自动注吹塑料中空成型机的温度控制方法，其特征在于：所述定时中断服务温度驱动控制的步骤为：

cS1：设置路数为1；

cS2：判断输出高电平参数是否等于零，如果否，则将该路端口设置为1及高电平参数减1并跳转到步骤cS5；

cS3：判断输出低电平参数是否等于零，如果否，则将该路端口设置为0及低电平参数减1并跳转到步骤cS5；

cS4：获取该路调制方波参数，设置该路输出端口为1及高电平参数减1；

cS5：判断此次N路方波信号输出处理是否结束，如果是，则将路数设置为1并结束，如果否，则将路数加1并返回步骤cS2。

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