摘要：本文介紹擠出吹塑成型的工藝過程，根據(jù)擠出吹塑成型工藝，結(jié)合CTS7200系列PLC的特點(diǎn)，描述了擠出吹塑成型控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程，重點(diǎn)突出CTS7200系列PLC在擠出吹塑成型系統(tǒng)中使用的優(yōu)勢。
一、引言
隨著石化工業(yè)的發(fā)展，人類日常生活及各行業(yè)對塑料制品的需求日益增長，極大地推動了塑料工業(yè)的發(fā)展。 目前，塑料已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、醫(yī)藥、家用電器、食品、汽車及人類日常生活用品之中，尤其近年來隨著人類生活水平的提高、消費(fèi)意識的變化以及旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中空制品已廣泛用來盛裝礦泉水、可樂等軟性飲料，還包括奶瓶、藥瓶、化妝品瓶等。
擠出吹塑成型機(jī)是中空容器成形的主要設(shè)備，世界上80%至90%的中空容器是采用擠吹成形的。在我國中空塑料成型機(jī)的發(fā)展歷程中，擠出吹塑成型機(jī)是發(fā)展最快最完善的中空塑料成型機(jī)，特別是小型擠出吹塑成型機(jī)的發(fā)展速度特別快。
近年來，擠出吹塑成型的主要技術(shù)趨勢是朝著自動化、智能化、高精度和高速度的方向發(fā)展。因此，要適應(yīng)該行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢，就必需提高擠出吹塑成型的整體技術(shù)含量，其中就包括擠出吹塑成型的控制系統(tǒng)。
本文描述的擠出吹塑成型控制系統(tǒng)核心采用TrustPLC? CTS7-200系列PLC，CTS7-200 PLC采用了高性能RISC芯片技術(shù)和軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)，布爾指令執(zhí)行速度達(dá)到0.15μs每步，浮點(diǎn)運(yùn)算速度達(dá)到8μs，開關(guān)量點(diǎn)數(shù)多達(dá)248點(diǎn)，模擬量點(diǎn)數(shù)多達(dá)56點(diǎn)，擴(kuò)展I/O模塊種類多達(dá)26種，因而無論是替代傳統(tǒng)繼電器完成簡單控制，還是應(yīng)用于特殊場合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制，無論是快速的離散量順序處理，還是復(fù)雜的運(yùn)動控制，CTS7-200 PLC都游刃有余。其專門為溫度控制應(yīng)用而量身訂制的PID溫控?cái)U(kuò)展模塊，內(nèi)置PID溫控算法，用戶無需編程即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的閉環(huán)溫度控制，而且減輕了CPU的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，控制速度更快，效果更出色。
另外其針對電子尺推出的高速輸入模塊精度高達(dá)16位，單通道轉(zhuǎn)換時(shí)間小于200us，而且模塊本身提供1路10VDC電源輸出，極大的方便了基于電子尺的應(yīng)用。
高性能的CPU、智能PID模塊加上高速輸入模塊等組合使用，大大提高擠出吹塑成型機(jī)的性能。
二、擠出吹塑成型工藝過程
擠出吹塑機(jī)是擠出機(jī)與吹塑機(jī)和合模機(jī)構(gòu)的組合體，由擠出機(jī)及型坯模頭﹑吹脹裝置﹑合模機(jī)構(gòu)﹑型坯厚度控制系統(tǒng)和傳動機(jī)構(gòu)組成。其工藝過程如下：
1．塑料的擠出
塑料加熱熔化后塑煉和混合均勻成流體，再以一定的壓力和容量擠入機(jī)頭。
2．型坯的形成
機(jī)頭內(nèi)的流體在重力和擠出壓力的作用下，通過機(jī)頭口模擠出形成所需的型坯。
3．型坯的吹脹
將達(dá)到要求長度的型坯置于吹塑模具內(nèi)合模，由模具上的刃口將型坯切斷，通過模具上的進(jìn)氣口輸入一定壓力的氣體吹脹型坯，使制品和模具內(nèi)表面緊密接觸。
4．制品的冷卻
保持模具型腔內(nèi)的氣壓，等待制品冷卻定型。
5．制品的脫模
冷卻定型完成后，打開模具，由機(jī)械手將制品取出。
在吹塑過程中，型坯的形成和吹脹是吹塑過程的核心，型坯形成和吹脹質(zhì)量的高低直接影響著容器制品的質(zhì)量好壞，而熔料的受熱溫度、擠出壓力和和冷卻時(shí)間將直接影響型坯的成型和吹脹質(zhì)量。型坯壁厚在吹氣成型過程中若沒有得到有效控制，冷卻后會出現(xiàn)厚薄不均的狀況，胚壁產(chǎn)生的應(yīng)力也不同，薄的位置容易出現(xiàn)破裂。因此，控制型胚壁厚對于提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本也同樣重要。
綜上所述，如何控制擠出機(jī)的受熱溫度、擠出壓力、制品的冷卻時(shí)間以及型胚壁厚成為影響容器制品質(zhì)量的幾個(gè)關(guān)鍵因素。
三、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)原理及配置
粒狀或粉狀的塑料經(jīng)擠出機(jī)塑化達(dá)熔融狀態(tài)，通過采集電子尺數(shù)據(jù)，反饋控制擠出熔料量，使熔料通過預(yù)定流速進(jìn)入機(jī)頭。當(dāng)儲料量達(dá)預(yù)定值時(shí)，機(jī)頭口模打開，并根據(jù)設(shè)定的型坯壁厚曲線，調(diào)節(jié)模芯進(jìn)行型坯壁厚控制。然后，將完成的制品型坯置于吹塑模腔內(nèi)，模具按照設(shè)定的速度進(jìn)行合模，合模時(shí)要求運(yùn)動平穩(wěn)，左右平衡。合模后進(jìn)行吹氣，型坯在氣體壓力的作用下緊貼模具內(nèi)壁，保持壓力冷卻定型后開模，由機(jī)械手取出制品。
系統(tǒng)電氣控制部分的主要配置如下：
（1）控制器采用CTS7-200 PLC進(jìn)行動作控制和50點(diǎn)型坯壁厚控制。
（2）溫度的測量采用工業(yè)鎧裝熱電偶。溫度控制由CTS7-200系列的8路熱電偶模塊CTS7 231-7TF22 完成，該模塊集成控制器帶智能PID算法，只要設(shè)置幾個(gè)參數(shù)，231-7TF22模塊就可以自行對所控溫區(qū)進(jìn)行加熱或冷卻，并將實(shí)時(shí)溫度反饋給CPU。
（3）擠出壓力控制由模擬量輸入模塊采集壓力傳感器的信號來控制擠出機(jī)螺桿的轉(zhuǎn)速，周時(shí)將實(shí)時(shí)壓力顯示在觸摸屏上。
（4）壁厚控制由231-7HC22高速輸入模塊采集型坯長度和模芯間隙的電子尺反饋信號，然后通過4通道模擬量輸出模塊232-0HF22控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動伺服閥來實(shí)現(xiàn)。
（5）操作面板采用觸摸屏完成整機(jī)的型坯溫度、擠出壓力、型坯壁厚以及冷卻時(shí)間等各種工藝參數(shù)的設(shè)定、修改、畫面顯示等，采用菜單式程序控制，操作簡便可靠。
3.2 溫度控制系統(tǒng)
在擠出吹塑的過程中，要使熔料溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度，所以同時(shí)配有加熱和冷卻設(shè)備，常用的是電阻加熱和風(fēng)扇冷卻。
擠出機(jī)的溫度控制由PID模塊CTS7 231-7TF22獨(dú)立完成。CTS7 231-7TF22模塊集成智能PID控制器，具有8路熱電偶輸入，控制過程的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)存儲區(qū)與CPU交換，控制精度達(dá)到±1℃。將初始PID參數(shù)和設(shè)定溫度送給該模塊，使能該模塊的PID控制，模塊便將熱電偶所測得的溫度送給PID控制器進(jìn)行運(yùn)算，然后將實(shí)時(shí)溫度和運(yùn)算得出的控制動作寫入數(shù)據(jù)存儲區(qū)，同時(shí)對PID三個(gè)控制環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。CPU根據(jù)數(shù)據(jù)存儲區(qū)中的值來控制輸出(PWM模式下輸出給DO點(diǎn)，模擬量模式下輸出給AO)，實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制 。PID參數(shù)的設(shè)置、溫度設(shè)定、啟停控制、實(shí)時(shí)溫度、溫度曲線都在觸摸屏上實(shí)現(xiàn)。
如下圖所示：
3.3 壓力控制系統(tǒng)
擠出壓力對于熔料的流變性能來說也是重要的影響因素，如果擠出工藝穩(wěn)定，加工溫度和螺桿速度不變，黏度是一個(gè)常數(shù)。根據(jù)黏性流體的流動方程式可知，擠出機(jī)的擠出量與螺桿轉(zhuǎn)速成正比，而機(jī)筒壓力成反比。 因此，控制好擠出壓力是型壞形成質(zhì)量的重要保障。壓力控制系統(tǒng)如圖所示，圖中所示壓力控制是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，將壓力傳感器反饋的數(shù)據(jù)和所需的壓力進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整擠出機(jī)的螺桿轉(zhuǎn)速。
3.4 型坯壁厚控制
中空容器制品因其強(qiáng)度要求規(guī)定了最小壁厚，而早期的中空吹塑成型設(shè)備缺少型坯壁厚控制系統(tǒng)，為使制品最薄處達(dá)到最小壁厚要求，制品的其它部位就要相應(yīng)加厚，造成材料的浪費(fèi)。為了節(jié)省成本、縮短制品冷卻時(shí)間、加快制品生產(chǎn)周期，一種比較經(jīng)濟(jì)的做法就是控制型坯壁厚。熔料從口模擠出處于黏流態(tài)流動一段時(shí)間，由于原材料特性、擠出溫度和擠出流量隨時(shí)間變化呈非線性變化，所以型坯在擠出過程中，型坯壁厚發(fā)生變化。為使擠出吹塑制品滿足壁厚要求，必須采取有效措施控制型坯壁的厚度。
壁厚控制系統(tǒng)是對模芯縫隙的開合度進(jìn)行控制的系統(tǒng)，也即位置伺服系統(tǒng)，它由控制器、電液伺服閥、動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)和作為位置反饋的電子尺構(gòu)成。當(dāng)機(jī)頭口模打開時(shí)，PLC讀取機(jī)筒電子尺反饋的型坯長度，然后根據(jù)型坯壁厚曲線，通過模擬量輸出模塊輸出±10V的電壓信號給電液伺服閥，伺服閥直接驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模芯上下移動，調(diào)整口模與芯模的間隙來完成口模開度的控制，進(jìn)而完成型坯壁厚的閉環(huán)控制。此時(shí)，壁厚型坯設(shè)定采用數(shù)字化方式，通過操作面板完成50點(diǎn)型坯壁厚控制的設(shè)定，型坯壁厚曲線的縱坐標(biāo)顯示型坯長度，橫坐標(biāo)顯示口模開度。
3.5 冷卻時(shí)間控制
在整個(gè)吹塑成形的過程中，冷卻時(shí)間是控制制品的外觀質(zhì)量、性能和生產(chǎn)效率的一個(gè)重要的工藝參數(shù)。控制適當(dāng)?shù)睦鋮s時(shí)間可防止型坯因彈性回復(fù)而引起的形變，使制品外形規(guī)整，表面圖文清晰，質(zhì)量優(yōu)良。但是，如果冷卻時(shí)間過長，那么就會造成因制品的結(jié)晶度增加而降低韌性和透明度，生產(chǎn)周期延長，生產(chǎn)效率降低。如果冷卻時(shí)間過短，那么所吹制的容器會產(chǎn)生應(yīng)力而出現(xiàn)孔隙，影響制品質(zhì)量。因此，在擠出吹塑中需要對冷卻時(shí)間做較精確的控制。
4. 應(yīng)用實(shí)例
廣東某機(jī)械實(shí)業(yè)有限公司是擠出吹塑中空成型機(jī)的專業(yè)制造廠家，其吹瓶機(jī)的控制核心采用CTS7-200系列PLC。CTS7-200系列PLC的CPU比西門子的CPU運(yùn)算速度更快，配合高速的模擬量輸入模塊和智能PID溫控模塊，使該機(jī)的控制系統(tǒng)上了一個(gè)臺階。另外該產(chǎn)品的單個(gè)模塊具有較大的點(diǎn)數(shù)（如8路智能PID模塊，8AI模塊，4AQ模塊等），為用戶節(jié)約了成本。
CTS7-200系列PLC產(chǎn)品在該公司使用已有較長時(shí)間，在為該公司提高產(chǎn)品綜合性能的同時(shí)，也節(jié)約了成本，進(jìn)而增強(qiáng)了其市場競爭力。
