CN1083765A - 一种双螺杆反应器微机控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种双螺杆反应器微机控制方法及装 置，采用数字与模拟技术相结合，软件与硬件相结合 的综合技术，用一台改进的STD总线工业控制机代 替传统的控制器，实现了双螺杆设备各段筒体温度的 可控硅加热控制及各筒体温度、机头压力、螺杆扭矩、 转速自动测量、显示、记录和联锁保护，可用于耐高温 及普通单(双)螺杆挤出(反应)设备的自动控制，对工 艺配方研究尤为方便。

Description

本发明属于一种塑料挤出设备控制方法及装置，具体涉及一种工作温度为室温～600℃，较佳为170℃～450℃的耐高温双螺杆挤出（反应）机的控制方法及装置。

控制装置的任务是完成双螺杆设备的各段筒体温度、加料速度、主螺杆的自动控制及各工艺参数的自动测量、显示/记录、联锁保护。其中温度控制对象的大滞后、非线性等问题，对调节系统有特殊要求，如果采用PID（比例、积分、微分）调节，其比例度、积分时间、微分时间都与特定的挤出机各种特性及树脂特性或挤出温度有关。为了保护螺杆不损坏，必须根据有关参数进行联锁保护，最好同时用汉字方式指出设备当前运行状态，防止误操作，这些都使得采用常规仪表难以达到，而采用计算机控制是一条有效的途径。但目前挤出机计算机控制系统结构复杂，维护难度大，同时因一般挤出机工作温度均在300℃左右，随着温度增宽，温度控制对象和测温元件两者的非线性都进一步暴露，原控制系统不再适应，而控制算法采用传统的形式

P₀＝K_ce+kI ${\∫}_0^t$ edt+KD (de)/(dt) （1）

更有一定的局限性。式中K_c，KI，KD分别为调节器放大倍数，积分增益，微分增益，P₀为控制输出，e为温度测量值与给定值之差，t为时间。最初人们设计PID调节器是希望用比例作用消除大偏差，用积分作用进一步消除静差，因此应使积分作用在大偏差时减弱以至无，而在小偏差时加强，式（1）中KI为常数，不能满足此要求，控制效果不理想，即使采用简单的积分分离措施，情况改善也不显著，如φ35耐高温双螺杆设备，采用此算法，在250℃工作时，最大超调竟达20℃，而稳定时间达3小时。为了减小超调和稳定时间，需靠冷却系统开启，让冷却介质带走一定热量，从而增加了能耗。

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，采用一种结构简单，控制性能优良，工作温度范围宽的双螺杆挤出设备微机控制方法及装置。

本发明采用数字与模拟技术相结合，软件与硬件相结合的综合技术，用一台STD总线工业控制机代替传统的控制器，实现双螺杆设备各段筒体温度的可控硅加热控制及各筒体温度、机头压力、螺杆扭矩，转速的自动测量、显示、记录和联锁保护。采用不需测量A/D转换前后特定数据的“三点法”完成了对热电偶信号的非线性校正。温度控制采用积分增益以2的幂次变化的变速积分，提高了控温精度。热电偶室温补偿和加热控制脉冲电路采用了比现有技术更为实用的形式。

附图一为本发明的系统组成图。

如图一所示，STD总线控制机与传统的计算机不同，它是由一系列的功能模板组成，具体模板的选定因使用场所不同或选用者不同而异。本发明采用的STD总线控制机模板及相应输入、输出设备主要有标准键盘（1），监视器（2），打印机（3），图形卡（4），CPU和存贮器板（5），系统支持（6），并行接口系统计时板（7），A/D板（8），可控硅控制板（9），开关量输出板（10），信号放大板（11），可控硅触发及控制主回路（12），电磁阀（13），联锁保护（14），调整装置（15）、（20），与传感器（16）、（17）、（23），热电偶（18），螺杆筒体（19），电机启停控制（21），主电机（22）等，通过键盘（1）完成各工艺参数及控制参数的在线修改或输入，在监视器（2）上实现各参数的显示，通过打印机（3）可实现随机或定时打印，各画面选择和参数输入菜单化、汉字化。

附图二为本发明的操作菜单画面。

螺杆熔体压力P，螺杆扭矩M，主电机（22）换算到螺杆侧的转速N分别经传感器（16）、（17）、（23）转换为电信号，送放大板（11）处理，螺杆各筒体（19）的温度T由热电偶（18）测出，送放大板（11）。采用热电偶（18）测温，有两个问题必须解决：[1]热电偶信号的非线性问题;[2]热电偶冷端温度补偿问题。

热电偶MV信号经（11）放大后去A/D转换板（8），A/D转换输出值设为x，作如下非线性校正（简称改进的“三点法”）：

Y＝C₀+ (c₁X)/(1+c₂X) （2）

C₀＝n₀- (c₁B₁)/(1+c₂B₁) （3-1）

C₁＝（1+c₂B₂）（1+c₂B₁）d/（B₂-B₁） （3-2）

C₂＝ (B₂+B₁-2B₃)/(B₂(B₃-B₁)-B₁(B₂-B₃)) （3-3）

B_l＝ (2ⁿ)/(E₂-E₁) ·E_l（l＝1，2，3） （4）

El＝f（Tl）    （l＝1，2，3）    （5）

式中n₀，d为设定常数，由所校正段的零点和量程确定，Y为校正值，T₁，T₂分别为校正段温度的最小值和最大值，T₃为T₁，T₂的中值，n为A/D转换器的位数。（5）式由热电偶分度表用回归分析法离线求得。T₁，T₂，T₃对应的B₁，B₂，B₃，传统的方法是由实测得到，本发明采用（4）和（5）式计算求得，使问题得到简化，同时克服了测试的困难和人为误差。

附图三为热电偶冷端补偿电路图。

热电偶冷端补偿采用附图三（b）所示电路，其中A为运算放大器，其输出端6与A/D转换板（8）的一端相联，由电阻R_i，R_f组成反馈电路，串联在放大器输出端6和地之间，电阻R_i与R_f相联点与反向输入端（5）相联，由传感器TT，电阻R₄组成的室温检测支路串联在电源V和地之间，并通过电阻R₃接至运算放大器A的正向输入端4，电阻R₄两端并接开关K。

集成温度传感器TT将室温转变为恒流输出信号，此信号经R₄转换为电压，送放大器A放大，放大输出送A/D转换板（8），温度传感器在0℃时输出为一定值，但不为零。过去人们是采用一个高稳定性的基准电源Mc1403和电阻R₅，电位器RW₁构成调零电路，如附图三（a）。其缺点是电路成本高，调零繁烦，实际调零操作有难度，本发明采用如图（b）所示电路，省去了调零电路，通过开关K，由计算机实现自动校零：

V₀＝V_x-（V⁰ ₁+V⁰ ₂）

式中：V₀-经校正后的输出。

V_x-补偿电路正常输出。

V⁰ ₁-TT在0℃时的输出换算到补偿电路输出侧的值，为定值

V⁰ ₂-开关K闭合时补偿电路的输出。

经过非线性校正和冷端温度补偿的温度采样值Y在CPU（5）内作PID控制运算：

P₀＝K_ce+KI（e） ${\∫}_0^t$ e dt+T_dk_c(de)/(dt) （7-1）

P₁＝ (T_d)/(K_d) (d_Po)/(dt) +P₀

e＝R-Y

式中：R为给定值，K_i＝K_c/T_i，放大倍数K_c，积分时间T_i，微分时间T_d，微分增益K_d，均可通过键盘（1）随时在线输入或修改。P₁为控制输出。

控制量P₁输出至可控硅控制模板（9）按比例乘法器-零交脉冲方式转换为一系列脉冲作用于可控硅触发及控制主回路[12]，实现加热电流的连续调节，当某一筒体（19）的温度超过给定值一定量（如要求降温的过程）时，经开关量控制板（10）送出开关量，控制电磁阀[13]，按时间比例方式开闭，让冷却介质带走多余的热量。

附图四为可控硅触发及控制主回路电路图

可控硅触发及控制主回路[12]的电路图如图四所示，由于各路加热控制主回路完全相同，这里仅给出了多路加热控制中一路的情况。+24V的电源为各路加热控制公用，附图四（a）是过去人们常采用的电路，二极管D₁，D₂限制单向脉冲通过，B为脉冲变压器，接收来自控制板（9）的控制脉冲，稳压管D₃，D₄用以防止脉冲变压器输出侧开路，此电路中限流电阻R₁，R₂的取值有一定难度，很难同时满足可控制CT₁，CT₂完全可靠导通，而脉冲变压器B原边电流又不是很大，使控制板（9）和+24V电源均安全工作，我们采用图四（b）所示电路，即脉冲变压器B的一端接电源+24V和可控硅控制板（9）17脚，另一端串联电阻R后接可控硅控制板（9）的第i（i＝1，2，3，4）脚，输出端3，4分别接二极管D₁阳极，稳压管D₃阳极。D₁、D₃阴极相联，D₃两端输出的可控硅控制信号，去可控硅。变压器B的输出端5、6接法与输出端3、4类似。采用图四（b）电路有效地解决了已有技术存在的问题，同时限流电阻由原来2只减至1只，把限流电阻移至脉冲变压器B的原边，如R，直接对直流电源+24V限流，保证了电源和控制板[9]的安全工作，同时由脉冲电路和脉冲变压器工作原理可知，此时电阻R的阻值变化相对于R₁，R₂的变化对变压器B输出侧电流的影响相对减小，R可在较大范围内取值，以3CT 20A/900V可控硅CT₁，CT₂，8路加热为例，当采用图（a）所示电路时，R₁，R₂取值大于50Ω时，可控硅CT₁，CT₂不能可靠导通，甚至根本不通，当R₁，R₂取50Ω时，可控硅CT₁，CT₂能全导通，但变压器原边电流太大，直流+24V电源输出电流达1安培，控制板（9）的输出级被烧坏。采用图（b）的电路，即使考虑可控硅参数的分散性，电阻R＝100Ω～190Ω时，可控硅CT₁，CT₂仍可靠导通，且变压器原边电流小，电源+24V输出电流为100mA～130mA，控制板[9]和+24V电源能够长期安全工作。

由直流调速装置[20]，[15]分别完成螺杆转速和加料电机转速的控制。双螺杆各段筒体温度T，熔体压力P，螺杆扭矩M中任一参数上、下限报警或处于升温阶段，STD的CPU（5）除了在监视器（2）上给出“报警”显示外，同时经开关量控制板（10）送出信号作用于联锁保护电路（14）和电机启停控制（21），控制主电机（22），加料电机MR₄，以及油泵电机MR₁，真空泵电机MR₂，冷却泵电机MR₃的启停。

CPU板（5）在获得各工艺参数的采样值后，除了进行控制计算，报警处理，还要进行“升温”、“开车”或“停车”的判断，并以汉字形式在监视器（2）上显示出来，若为报警，可由报警画面获得详细的报警信息。如附图2所示，每个画面的a处是“报警”显示位置，位置b是运行状态显示，c是时钟和日期显示位置。

本发明采用STD总线工业控制机，有效地解决了耐高温双螺杆反应器各段温度的自动控制，控温范围：室温～600℃，稳态精度1%;最大超调量10%;实现了各段温度、熔体压力、螺杆扭矩、转速的自动测量、显示、记录及联锁保护，测量精度分别为：0.4%，1%，1.5%，1%。设备运行状态的及时显示，避免了工艺误操作。温度非线性校正，传统的“三点法”需对（3）式中有关数据进行人工测量，分段越多，测量参数越多。本发明提出了一种改进的“三点法”，避免了对一些参数的人工测量和由测量可能引入的人为误差，校正精度提高。温度控制采用积分增益按2的幂次数变化的变速积分方法，充分发挥了积分项克服温度静差的作用，即使在刚开车的升温过程中，不经过手动操作而直接进行自动升温，升温过程仍较快，且超调小，不需要开启冷却系统，降低了能耗。可控硅控制回路采用了简单可靠的电路，系统工作更加可靠，使用中即使可控制参数有很大的分散性，选定的R电阻值也能适应，不需要重新调整。整个系统操作汉字化、菜单化，操作简单;STD计算机由一系列功能模块构成，使得工作可靠，维护方便。

本控制装置可用于耐高温双螺杆挤出（反应）设备的控制，对工艺配方研究尤为方便。除此之外，还可用于普通单、双螺杆挤出设备的自动控制。实施例：

双螺杆设备：Φ35m/m，最高工作温度410℃，温度控制8段，每段2.8kw，主电机（22）7.5kw，直流调速装置（20）选10kw调速装置，（15）选用1kw直流调速装置，均为双闭环控制，控制精度1%，转速传感器（21）为直流测速电机，最大输出55V    DC，压力传感器（16），扭矩传感（20）测量范围分别是：0～20MPa，0～500N.M，热电偶（18）共8支，分度号为E，其f（T）函数为：

其中：

a₀＝-0.176569×10^-1

a₁＝0.598216×10^-1

a₂＝0.363866×10^-4

a₃＝-1.93257

a₄＝0.751252×10^-1

a₅＝0.531343×10^-5

将测温范围[0，610℃]分为两段：（0，200]，（200，610]，然后采用改进的“三点法”进行线性校正，在具体实施中，根据实际情况，可适当将温度分段，在每一段上施行“三点法”，分段越多，校正精度越高。

温度控制采用前述变速积分，其中

K_i据实际整定PID控制参数计算：K_i＝K_c/T_i。

STD控制机选用Z-80系列，对应图一中各功能模板均属商品化产品，可直接选用，各功能模板间通过STD总线联系起来构成一个特定用途的计算机，计算机功能模板与传感器[16]，[17]，[18]，[23]，可控硅控制主回路[12]，电磁阀（13），联锁保护电路（14）间均应通过屏蔽控制电缆连接。

温度冷端补偿电路中，TT选AD590，R_i＝1kΩ，R_f＝50kΩ，放大器A选用μA741，可控硅控制主回路（12）中限流电阻R取值100Ω～190Ω。

8路温度计测量范围0～610℃，测量精度0.4%。

8路温度控制范围：室温～600℃，稳态控制精度1%，最大超调小于10%，在110℃或300℃处给定值改变+100℃，各种中最大超调均小于8℃，稳定时间小于120分钟，此时不需要开启冷却系统。在相同条件下，若不采用变速积分PID控制，而采用KI恒定的PID方法，最大超调20℃，稳定时间约240分钟，必须依靠开启冷却系统来改善控制品质，缩短稳定时间。

机头熔体压力测量范围：0～20Mpa，精度1%。

螺杆扭矩测量范围：0～500N.M，动态测量精度1.5%。

主电机、加料电机调速范围1∶10，控制精度1%。

根据设备各工艺参数情况，显示出“升温”，“开车”，“停车”，“报警”工作状态，当升温或报警时，或油泵电机未启动，主电机或加料电机均会停止运行或不能启动。尤其是螺杆扭矩过大时，主电机会立即停止运行。

Claims (4)

1、一种双螺杆反应器微机控制方法及装置，其STD总线控制机及相应输入/输出设备主要由标准键盘(1)、监视器(2)、打印机(3)、图形卡(4)CPU和存贮器板(5)、系统支持(6)、并行接口系统计时板(7)、A/D板(8)、可控硅控制板(9)、开关量输出板(10)、信号放大板(11)、可控硅触发及控制主回路(12)、电磁阀(13)、联锁保护(14)、调速装置(15)(20)、传感器(16)(17)(23)、热电偶(18)、螺杆筒体(19)、电机启停控制(21)和控制主电机组成。其特征在于可控硅触发及控制主回路(12)的电路，采用将脉冲变压器B的一端接电源+24V和可控硅控制板(9)的17脚，另一端串联电阻R后接可控硅控制板(9)的第i(i=1，2，3，4)脚，输出端3，4分别接二极管D₁阳极，稳压管D₃阳极，D₁、D₃阴极相联，D₃两端输出的可控硅控制信号去可控硅，变压器B的输出端5、6接法与输出端3、4类似。

2、根据权利要求1所述的方法及装置，其特征在于其热电偶冷端补偿电路采用将运算放大器（A）的输出端（6）与A/D转换板（8）的一端相联，由电阻R_i、R_f组成反馈电路，串联在放大器输出端（6）和地之间，电阻R_i，R_f相联点与放大器A的反向输入端相联，由传感器（TT）、电阻R₄组成的室温检测支路串联在电源V₊和地之间，并通过电阻R₃接至运算放大器（A）的正向输入端（4），电阻R₄两端并接开关（K），通过开关K由计算机实现自动校零。

3、根据权利要求1、2所述的方法及装置;其特征在于热电偶mv信号经信号放大板（11）放大后，去A/D转换板（8），A/D转换输出值设为x，作如下非线性校正：

Y＝C₀+ (C₁X)/(1+C₂X)

C₀＝n₀- (c₁B₁)/(1+c₂B₁)

C₁＝（1+c₂B₂）（1+c₂B₁）d/（B₂-B₁）

C₂＝ (B₂+B₁-2B₃)/(B₂(B₃-B₁)-B₁(B₂-B₃))

B_l＝ (2ⁿ)/(E₂-E₁) ·E_l（l＝1，2，3）

El＝f（Tl）  （l＝1，2，3）

式中：n₀、d为设定常数，由所校正段的零点和量程确定，Y为校正值，T₁，T₂分别为校正段温度的最小值和最大值，T₃为T₁、T₂的中值，n为A/D转换器的位数，El＝f（Tl）由热电偶分度表用回归分析法离线求取。

4、根据权利要求3所述的方法及装置，其特征在于经过非线性校正和冷端温度补偿的温度校正值（Y）在CPU（5）内作下述控制运算：

P₀＝K_ce+KI（e） ${\∫}_0^t$ edt+T_dk_c(de)/(dt)

P₁＝ (T_d)/(K_d) (d_Po)/(dt) +P₀

e＝R-Y

式中：R为给定值，K_i＝K_c/T_i，放大倍数K_c、积分时间T_i、微分时间T_d、微分增益K_d，均可通过键盘（1）随时在线输入或修改，P₁为控制输出。

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