關鍵詞：溫度控制器 成型系統 塑料機械

1 引 言

    塑料制品在生產生活中無處不在,對應的塑料生產設備也多種多樣,由于塑料的物理化學特性是由加工過程中的“三要素”決定的，即“溫度、壓力、時間”中的3個參數如配合不當，是難以達到期望的理化性能的，其中溫度這個參數是比較重要的，因此大多數塑膠制品設備都離不開溫度控制器。下面以塑料擠出機為例介紹臺達溫控的應用. 塑料擠出機有單螺桿式和雙螺桿式之分, 主要用于擠制軟、硬聚氯乙烯、聚乙烯等熱塑性塑料之用，與相應的輔機（包括成型機頭）配合，可加工多種塑料制品，如膜、管、棒、板、絲、帶電纜絕緣層及中空制品等。塑膠擠出機如圖1所示，一臺擠出機使用多個DTA溫控器控制加熱，并且每個加熱器上都對應配置了一組散熱風扇或者水冷裝置以調節溫度，圖2和圖3示出了各種各樣的臺達溫度控制器。

圖1 塑料擠出機

圖2 溫度控制器（1） 圖3 溫度控制器（2）

2 塑料加工的溫度控制

    基于塑膠原材料特性，要求被控制的溫度不能超過設定溫度正負2攝氏度，溫度過低擠出口出料不暢，造成前端擠出機構負載過大；溫度過高則可能改變原料特性導致在制品報廢。現場觀察表明，如果控制方式選擇較為容易操作的ON-OFF方式，會造成大幅度的振蕩，如圖2所示，控制溫度將產生上下至少3度的誤差，因此，簡單開關控制方式是不可取的。 一般選擇PID控制方式，但是要注意，如果使用通常的自整定方式來取得P、I、D值反而會造成精度誤差更大，原因是DTA溫控器不支持雙輸出的功能，所以只可單選加熱，擠出機上方配備的冷卻風扇則是利用DTA的警報輸出來觸發,作為冷卻輸出。而DTA 的自整定，必須在自然冷卻或者冷卻方式相對恒定的環境下進行，而利用警報來做冷卻控制,實際已經變成突發事件,超出正常情形，這樣會造成降溫時間及振蕩周期變短，如I值對應為（振蕩周期/2），則I值因此會變小，將造成更加劇烈的振蕩。

圖4 開關控制與PID控制的比較

    在參數整定過程中應注意：（1）不使用自整定，手動輸入P、I、D值，因為P、I、D三個參數在出廠時已調整為默認值，P=47.6，I=260，D=41，可能造成加熱速度較慢，但控制的精度也將相對地提高，只要不是在溫度變化急劇的環境中（ 5秒中變化100度），該出廠值是可以達到控制要求的。值得注意的是該設備以出廠設定值即可達到所需工況的要求，反倒是執行自整定往往得到不正確的參數，造成溫度的上下振蕩。如果加快溫度上升的速度，應適當將P值調小。.（2）塑料設備上冷卻速度非常慢，所以超溫時利用警報輸出來觸發風扇加速冷卻，注意DTA中使用警報徑行風扇冷卻，須將ALARM范圍設定的較大（如，在超出4度時才執行），因為除非異常情形，平時溫度是不易超出該范圍的，如果ALARM設定過小（比如1度），超出設定值會造成冷卻速度太快，也會產生溫度振蕩。
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3 PID控制與參數調整

    控制器的P值其實就是比例控制增益，I值對應積分時間（Ti），D值對應微分時間（Td）。P值指的是比例增益（如圖4所示），若是P設定為20，SV（目標溫度）設定為150度，在150-20=130度之前，輸出將以全輸出的方式來執行控制，所以若是將P值調整的太小，將會產生溫度加熱過高的情形。出廠值P為47.6，若欲達到溫度為100度，則在100-47.6=52.4度時即加上比例控制輸出量，所以除非加熱速度很快，否則不會造成上下振蕩的情形。
根據自動控制原理，控制器輸出量是P、I和D參數及系統誤差e的函數，而e = PV（系統輸出值） ? SV（系統設定值），當系統輸出值溫度等于系統設定溫度時，系統誤差e值即為零，此時P控制中即無輸出量，P無輸出量是無法將溫度一直保持在設定值的，此時便需利用積分I控制來執行補償的動作。I值指的是積分量，輸出量=P量+I量+D量，但當未進入比例控制時，是不執行I控制的，因這時系統已是全輸出狀態，I量是無法再增加上去的。

圖5 PID控制的輸出響應

    如圖5所示，積分動作觸發時機為溫度先由上升至反轉下降的時候，在加熱開始時，原本溫度即會產生超調的現象，若是該時刻再增加積分量，那么溫度也就超過得更多了。因此當啟動積分動作時，Ti值愈小積分量愈大，反之，Ti值愈大則計算的積分量則愈小。因此出廠的I默認值為260，是為避免積分量太大造成加熱溫度過高。

圖6 積分調節的響應

    如圖7所示，I值的是由（周期時間/2）計算取得的，塑機中的溫度下降速度（不啟動風扇）是相當緩慢的，所以I值將相當的大，但可利用風扇加速風扇的冷卻，此時周期時間將大大縮短，I值相對地也大大地變小了，于是振蕩情形會更加劇烈。

圖7 積分調節產生的振蕩情形

    D值指的是微分量，當系統溫度產生變化時，將啟動D量控制。若在加熱系統中，溫度快速下降，此時U（輸出量）=P量+I量+D量，相反若系統中溫度快速上升，此時U（輸出量）=P量+I量-D量，因此D量是用來控制溫度急劇變化時，使之作出快速反應以減少和設定值的誤差。D值愈大時，反應速度愈快，反之，D值愈小，反應速度愈慢，如圖8所示。如果D值設定過大，只要溫度一產生變化就作出快速反應，反倒可能造成振蕩，若D值設定非常大時，只要溫度略有變化系統輸出會急劇改變，甚至產生發散現象而無法控制。

圖8 微分調節時的系統響應

4 結束語

    上述粗略討論了臺達溫度控制器在擠出機中的應用，歸納起來在使用中值得注意的有以下方面：使用 DTA中的警報輸出作為冷卻控制，執行自我整定（Auto Tuning）的動作所測得的PID值是不正確的；在執行自整定的系統中，建議先整定功能，如控制效果不好才以手動調整PID參數；。出廠時的PID參數適用于大部份的系統，系統能穩定運行，但到達設定值的時間略長；OMRON控制中是全輸出方式，當溫度超過設定值1-2度即啟動風扇急速降溫，因此溫度會振蕩，風扇啟動頻繁，會增加能源消耗；DTA的PID控制中，溫度一般在設定值容許范圍內變化，風扇幾乎不動作，在系統運行中因原料的流動，可控制在正負2-3度的范圍內。由于DTB和DTC系列中因提供雙輸出功能，可直接執行整定功能，或直接以出廠的PID值運行，同樣可達到正負2度的精度要求。
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