摘要：本文介紹擠出吹塑成型的工藝過(guò)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(guò)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(shì)。
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(duì)塑料制品的需求日益增長(zhǎng)，極大地推動(dòng)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(lái)隨著人類生活水平的提高、消費(fèi)意識(shí)的變化以及旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中空制品已廣泛用來(lái)盛裝礦泉水、可樂(lè)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(guó)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(lái)，擠出吹塑成型的主要技術(shù)趨勢(shì)是朝著自動(dòng)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(shì)，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(kāi)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(wú)論是替代傳統(tǒng)繼電器完成簡(jiǎn)單控制，還是應(yīng)用于特殊場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制，無(wú)論是快速的離散量順序處理，還是復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)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溫控擴(kuò)展模塊，內(nèi)置PID溫控算法，用戶無(wú)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(duì)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(guò)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(dòng)機(jī)構(gòu)組成。其工藝過(guò)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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(kāi)模具，由機(jī)械手將制品取出。
在吹塑過(guò)程中，型坯的形成和吹脹是吹塑過(guò)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(guò)程中若沒(méi)有得到有效控制，冷卻后會(huì)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(duì)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(guò)采集電子尺數(shù)據(jù)，反饋控制擠出熔料量，使熔料通過(guò)預(yù)定流速進(jìn)入機(jī)頭。當(dāng)儲(chǔ)料量達(dá)預(yù)定值時(shí)，機(jī)頭口模打開(kāi)，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(dòng)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(kāi)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(dòng)作控制和50點(diǎn)型坯壁厚控制。
（2）溫度的測(cè)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(duì)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(hào)來(lái)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(zhǎng)度和模芯間隙的電子尺反饋信號(hào)，然后通過(guò)4通道模擬量輸出模塊232-0HF22控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)伺服閥來(lái)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(jiǎn)便可靠。
3.2 溫度控制系統(tǒng)
在擠出吹塑的過(guò)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(guò)程的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(cè)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(dòng)作寫入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，同時(shí)對(duì)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(chǔ)區(qū)中的值來(lái)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(duì)于熔料的流變性能來(lái)說(shuō)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(dòng)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(dòng)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(guò)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(duì)模芯縫隙的開(kāi)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(dòng)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(kāi)時(shí)，PLC讀取機(jī)筒電子尺反饋的型坯長(zhǎng)度，然后根據(jù)型坯壁厚曲線，通過(guò)模擬量輸出模塊輸出±10V的電壓信號(hào)給電液伺服閥，伺服閥直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模芯上下移動(dòng)，調(diào)整口模與芯模的間隙來(lái)完成口模開(kāi)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(guò)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(zhǎng)度，橫坐標(biāo)顯示口模開(kāi)度。
3.5 冷卻時(shí)間控制
在整個(gè)吹塑成形的過(guò)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?jī)?yōu)良。但是，如果冷卻時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，那么就會(huì)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(zhǎng)，生產(chǎn)效率降低。如果冷卻時(shí)間過(guò)短，那么所吹制的容器會(huì)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(duì)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(tái)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，
