挤出机的控制

五、挤出机的控制

1．温度的测量与控制

温度是挤出过程最重要的参数之一，它直接影响到挤出成型全过程。温度的控制方法一般是按照测量、调节操作、目标控制等顺序形成闭环控制系统。即测出控制对象(料筒、机头等)的温度，找出它与给定温度的误差，修改执行元件的操作量(执行元件是指加热、冷却系统)，使被控制对象的温度维持在一定值。

(1)温度的测量　挤出机的温度测量元件常用热电偶。一般热电偶安装在机头和料筒各控制段的中间，使物料和料筒直接接触测温元件。图3－38所示为热电偶在机头上的两种安装形式。热电偶的输出端与温度显示仪表(称为二次仪表)和温度控制装置相连接。当由于某种原因物料或料筒(测点)温度有变化时，热电偶将温度变化值以电压(电压变化量)的形式输出到显示仪表和控制装置。

图3－38　热电偶在机头上的两种安装形式

温度显示仪表常见的有:可动线圈式示温仪、电位差式自动平衡示温仪等。目前，温度可以用数字显示。

(2)温度的控制　温度控制的方法有很多种，如手动控制、位式调节(又叫开关控制)、时间比例控制和比例—积分—微分控制(亦称PID控制)。目前手动控制方式应用较少。

目前挤出机常用的温度自动控制系统是温度定值控制，温度定值控制的原理是，热电偶测得控制对象的温度T(或者是ΔT')，转换成热电势V(或电势差ΔV')信号，输入到温度显示和调节仪表，与给定值T₀进行比较，根据其偏差值ΔT=T－T₀数值的大小和极性，由温度调节仪表按一定规律去控制加热器和冷却器的动作，从而控制料筒温度和物料温度，并使之保持在给定值附近(允许范围内)。图3－39所示为温度定值控制原理方框图。温度定值控制方法主要有以下三种:

①位式调节:这种控制方式目前较普遍采用XCT－101、XCT－111、XCT－121型动圈式温度指示调节仪。它是将温度显示和温度控制系统制成一体的一种仪表。控制过程如下:当热电偶测得的温度T等于给定温度T₀时(此时仪表指示针与给定指针上下对齐)，继电器能立即切断加热器电源，停止加热(亦可接通冷却系统进行冷却)。但由于控制对象(料筒)有较大的热惯性，料筒温度会继续上升。同样，当测得温度T低于给定温度T₀时，仪表虽然接通了加热器电源，但由于热惯性，温度还会下降，然后才能回升。因此料筒实际温度在设定值上下波动，如图3－40所示，其波动程度与料筒的热惯性大小、加热冷却方式及热电偶安装位置等有关，严重时波动可达十几到几十度。

图3－39　温度控制原理方框图

图3－40　位式控制工作曲线图

②时间比例控制:这种控制用的温度指示调节仪是按时间比例原则设计的，如XCT－131型动圈式温度指示调节仪。其给定温度附近有一比例带，当指示温度接近给定温度T₀(即已进入比例带)时，仪表使继电器出现周期性接通、断开、再接通、再断开的间歇动作。而且指示指针愈接近给定温度指针，接通时间t₁愈短，断开时间t₂愈长，因而受该仪表控制的加热器功率P的平均值P_av与温度偏差ΔT=T－T₀成比例，图3－41为XCT－131型动圈式温度指示仪的工作状态示意图。显然，这种控温方法由于测定温度接近给定温度时，能自动地减少平均加热功率P_av，所以与位式控制相比，它的温度波动要小得多。但这种方法不能单独用，而要把XCT－131与XCT－101结合起来，设计出XCT－141型仪表才能达到较高的控制温度精度。

图3－41　XCT－131工作状态示意图

③比例(P)—积分(I)—微分(D)调节:这种调节方式也称为PID调节。采用XCT－191型动圈式仪表，与ZK型可控硅电压调整器及可控硅元件等组成的温度自动控制系统，可以实现PID调节。XCT－191型仪表是在给定温度值T₀附近(约占全量程的5%)，根据热电偶测出的指示温度与给定温度T₀偏差的大小，输出不同的电流I_L。由于仪表内部电子线路的控制作用，I_L是偏差ΔT的PID函数。再由I_L控制电压调整器ZK，并由ZK发出相应的触发信号去控制加热器电路中的可控硅元件的导通角(开放角)的大小，这样便可连续地控制加热器中的电流(加热功率)的大小。这个电流和温度偏差ΔT之间也存在着PID函数关系。

比例作用是指:加热电流I_L和温度偏差ΔT存在着线性比例关系，偏差ΔT越小，加热器电流也越小。

微分作用是指:加热电流I_L正比于温度偏差ΔT对时间t的微分，即偏差ΔT出现愈快，加热电流相应变化量也愈大。这就提高了系统的抗外界突然干扰的能力。

积分作用是指:加热电流I_L正比于偏差ΔT对时间的积分，这样，即使偏差很小，在一定时间后总能消除这个偏差(即静差)，提高了系统的静态精度。

这种温度调节自控系统，其调节精度高，温度可控制在±1℃以内。

2．物料压力的测量与控制

物料压力(压强)也是挤出过程的重要参数之一。由挤出过程可知，压力也是挤出过程赖以进行的条件，它对挤出机的性能、产品的质量和产量影响很大。

(1)物料压力的测量　物料压力的测量方法很多，有机械式测压表、液压式测压表、气动测压表、电气测压表(称电测式测压计)。图3－42(a)所示为测量机头压力的示意图，它是将测压计(或称压力传感器)装入测量部位，使测压计感受压力的部位与熔料直接接触。这样，挤出机工作时熔料的压力即可在测压计上反映出来，测压计的输出信号由二次仪表接收显示或经放大后显示出读数。

图3－42(b)所示为电测式测压计(压力传感器)，它是由电阻应变片、传动杆、外壳、膜片等所组成。当熔体压力作用在膜片上时，使膜片变形，也使传动杆发生变形，传动杆的变形使贴在传动杆上的应变片的电阻值发生变化，从而使预先处于平衡状态下的电桥失去平衡，产生电信号，该信号由二次仪表接收显示或经放大后显示出读数。

(2)压力的控制　压力可以通过改变物料输送过程中的过流截面面积(改变流道阻力)进行调节。

图3－43(a)所示为最简单的压力调节方式，它是由螺栓来调节过流截面，但调节范围小、精度低，且不利于物料流通。图3－43(b)所示为调节阀，由于其形状呈流线型，对物料的流动影响小。以上两种属于径向调节。图3－43(c)所示为调节轴向间隙的压力调节装置，它靠改变阀与螺杆头之间的间隙实现压力调节。调节机构的控制方法有手动调节和自动调节两种。

图3－42　测量机头压力的示意图

图3－43　各种压力调节装置

3．转速的控制

挤出机螺杆转速控制是挤出机控制过程中的重要环节。由于螺杆转速的工作稳定性直接影响挤出量，若螺杆转速因外界干扰而发生波动，则将直接引起挤出量的波动。因此，挤出机一般都采用闭环控制系统。图3－44所示为螺杆驱动电动机的转速控制系统方框图。当在输入端给定一个输入量(要求在某一转速下运行)时，通过调节器控制可控硅触发电路，使其按相应触发角(开放角)触发可控硅，可获得相应电压，使直流电动机按预先给定的输入量(转速)运行。

图3－44　螺杆驱动电动机的转速控制系统方框图

电动机的输出转速称为输出量，可将输出量n用测速发电机测出(电压U)，并以负反馈的形式反馈到输入端，与给定输入量(电压U₀)比较，即ΔU=U－U₀。ΔU称为偏差。如果偏差不等于零(即输出转速超过或低于给定转速)，则通过调节器再次改变触发角，进而使电动机调整输出转速，使偏差消除。这种将输出量反馈到输入端的控制系统称为闭环控制系统。这种系统能在外界干扰使输出转速发生变化，即产生ΔU偏差时，将ΔU经过放大输给调节器，使可控硅触发电路的触发角发生变化，可控硅输出电压随之变化，因而直流电动机的转速也相应变化，使转速稳定在预先给定的转速下。表3－8中的第一、二、四种传动系统，均采用这种转速控制方式。

图3－45　过载保护销的装设情况

4．过载保护和其他安全防护

为了使挤出机在出现过载时机器(特别是螺杆和电动机)不致损坏，以保证生产能顺利地进行，在挤出机上设置了过载保护和安全保护装置。保护装置有电气保护装置和机械保护装置两种方式。前者是在电气控制系统中设置过电流继电器，当挤出机过载时，过电流继电器动作，使电源切断，从而保护电动机和螺杆。后者大多数采用剪切销(或安全键)。剪切销通常设置在电动机的输出轴上，图3－45所示为过载保护销的装设情况。当螺杆过载时，保护销就剪断，这样电动机和螺杆间便失去了传动连接，使螺杆不再受动力的带动而达到保护的目的。这种用剪切销保护的装置结构形式很多，在此不再详述。在设计剪切销时，需经过强度计算，尺寸过大不能起保护作用。