V80系列PLC在挤出吹塑成型控制系统中的应用
摘要：本文介绍了V80系列PLC在挤出吹塑成型控制系统中的应用情况，详细阐述了挤出吹塑成型机的工艺过程，针对型坯温度、挤出压力、冷却时间和型坯壁厚等方面的控制特点，以V80系列PLC为例，重点描述了挤出吹塑成型控制系统的实现过程，最后说明该控制系统具有良好的工程应用和市场推广价值。
关键词：PLC、吹塑成型、温度、压力、壁厚控制
1．引言
挤出吹塑成型机是目前产量最大的一种生产容器和中空制品的吹塑成型设备，可生产出从最小只有1ml到最大可达10000l的各种容器制品，如牛奶瓶、饮料瓶、洗涤剂瓶、化妆品瓶以及化学试剂桶、饮料桶、矿泉水桶等。
近年来，挤出吹塑成型的主要技术趋势是朝着自动化、智能化、高精度和高速度的方向发展。
因此，如何提高传统挤出吹塑成型的整体技术含量，使之适应该行业技术发展趋势要求是很重要的课题。
本文描述的挤出吹塑成型机采用德维森科技（深圳）有限公司开发生产的V80系列PLC 作为主要的电气控制系统，应用情况说明该系统完全可以符合自动化、智能化、高精度和高速度的技术发展趋势。
第一，V80系列PLC高度融合了电子技术、自动化技术及网络技术，用V80系列PLC 作为吹塑成型机的控制系统，将使吹塑成型机具有挤出、合模、吹胀、冷却和开模等过程的自动控制功能，同时具有挤出型坯温度、挤出压力和冷却温度的自动调节功能，向着自动化和智能化的方向发展。
第二，V80系列PLC中的具备高精度的热电偶模块和模拟量输入输出扩展模块，可以满足型坯温度、挤出压力、型坯壁厚的高精度控制要求，达到制品成型所要求的质量要求，而且精度重复性好；采用高速硬件解析技术的CPU模块和本身带有CPU芯片和专用共享数据区的模拟量扩展模块，可极大地提高熔料塑化速度，挤出速度以及开合模速度，缩短了成型周期，并保证了制品的成型质量。
2．设备工艺过程
吹塑模具
图1 挤出注塑机的基本结构图
挤出吹塑是制造空心塑料制品的成型方法，是借助气体气体压力使模具内的热型坯吹胀成容器的。
挤出吹塑设备由挤出机、机头、模具、吹气系统和锁模装置构成，如图1所示，其工艺过程：
（1） 将热塑性塑料从进料口进入机筒内，由挤出机将塑料熔化成熔料流体，经过挤压系统塑炼和混合均匀的熔料以一定的容量和压力由机头口模挤出形成型坯；
（2） 将达到规定长度的型坯置于吹塑模具内合模，并由模具上的刃口将型坯切断；
（3） 由模具上的进气口通过压缩空气以一定的压力吹胀型坯；
（4） 保持模具型腔内压力，使制品和模具内表面紧密接触，然后冷却定型，开模取出制品。
在吹塑过程中，型坯的形成和吹胀是吹塑过程的核心，型坯形成和吹胀质量的高低直接影响着容器制品的质量好坏，而熔料的受热温度、挤出压力和和冷却时间将直接影响型坯的成型和吹胀质量。
型坯壁厚在吹气成型过程中若没有得到有效控制，冷却后会出现厚薄不均的状况，胚壁产生的应力也不同，薄的位置容易出现破裂。
因此，控制型胚壁厚对于提高产品质量和降低成本也同样重要。
综上所述，如何控制挤出机的受热温度、挤出压力、制品的冷却时间以及型胚壁厚成为影响容器制品质量的几个关键因素。
3．控制系统设计
3.1 系统原理及配置
粒状或粉状的塑料经挤出机塑化达熔融状态，通过采集电子尺数据，反馈控制挤出熔料量，使熔料通过预定流速进入机头。
当储料量达预定值时，由PLC控制机头口模打开。
根据设定的型坯壁厚曲线，由PLC完成进行型坯壁厚控制。
同时，将熔融物料压出形成制品型坯，模具成型机合模机构采用四拉杆三板联动系统，合模机的运动速度按设定值实现自控，运动平稳。
合模后吹气，型坯在模具内成型为中空制品，冷却定型后开模，由PLC控制机械手取出制品。
系统电气控制部分的基本配置如下：
（1）控制器采用德维森科技（深圳）有限公司生产的V80系列PLC进行动作控制和50点型坯壁厚控制。
（2）温度的测量采用工业铠装热电偶，温度控控制由V80系列的热电偶模块E5THM 完成，该模块本身内置CPU芯片，可执行PID算法，在上电设置好参数后，E5THM模块就可以自行控制固态继电器的通断，从而控制温度的稳定，波动范围小。
（3）压力传感器采用的是 PT124型压力传感器，数据采集工作由V80系列的8通道模拟量输入模块E8AD1完成。
（4）壁厚控制由机筒电子尺反馈型坯长度给PLC，然后通过V80系列的4通道模拟量输出模块E4DA1控制执行机构驱动伺服阀完成。
（5）操作面板采用触摸屏完成整机的型坯温度、挤出压力、型坯壁厚以及冷却时间等各种工艺参数的设定、修改、画面显示等，采用菜单式程序控制，操作简便可靠，能使设备经常处于良好运行状态，并保证人机安全生产。
3.2 温度控制系统
在挤出吹塑的过程中，需要加热和散热工作在平衡状态，以使挤出熔料温度达到某一动态平衡。
因此，挤出过程的温度需要实时测量和控制。
图2所示为挤出吹塑机的温度控制系统框图。
挤出机的温度经热电偶采集到热电偶模块E5THM中，模块内本身内置CPU芯片，具有5路热电偶输入和5路晶体管PWM输出，可以在模块内完成PID控制算法，控制精度为
±1℃。
E5THM采集到的温度信号与设定温度比较得到偏差信号，如果测量温度大于设定值，则模块按时间周期占空比的 PID算法，通过PWM脉冲调宽技术控制固态继电器动作，使挤出机加热装置停止加热，反之亦然, 进行冷却控制操作。
机筒温度设定和实时温度显示可以通过触摸屏完成。
图2 挤出吹塑机的温度控制系统
3.3 压力控制系统
挤出压力对于熔料的流变性能来说也是重要的影响因素，如果挤出工艺稳定，加工温度和螺杆速度不变，故黏度是一个常数。
根据黏性流体的流动方程式可知，挤出机的挤出量与螺杆转速成正比，而机筒压力成反比。
因此，挤出过程的压力很重要，需要进行实时测量，以保障形成型坯的质量，进而保证了制成品的产品质量，压力测量系统如图3所示。
图3 挤出吹塑机的压力测量系统
3.4 型坯壁厚控制
熔料从口模挤出处于黏流态流动一段时间，由于原材料特性、挤出温度和挤出流量随时间变化呈非线性变化，所以型坯在挤出过程中，型坯壁厚发生变化。
为使挤出吹塑制品满足壁厚要求，必须采取有效措施控制型坯壁的厚度。
图4 挤出吹塑机的壁厚控制系统
壁厚控制系统是对模芯缝隙的开合度进行控制的系统，也即位置伺服系统，它由控制器、电液伺服阀、动作执行机构和作为位置反馈的电子尺构成。
当机头口模打开时，PLC读取机筒电子尺反馈的型坯长度，然后根据型坯壁厚曲线，通过高精度模拟量输出模块E4DA2输出±10V的电压信号给电液伺服阀，伺服阀直接驱动执行机构控制模芯上下移动，调整口模与芯模的间隙大小来完成口模开度的控制，进而完成型坯壁厚的闭环控制，如图4所示。
此时，壁厚型坯设定采用数字化方式，通过操作面板完成50点型坯壁厚控制的设定，型坯壁厚曲线的纵坐标显示型坯长度，横坐标显示口模开度。
3.5 冷却时间控制
在整个吹塑成形的过程中，冷却时间是控制制品的外观质量、性能和生产效率的一个重要的工艺参数。
控制适当的冷却时间可防止型坯因弹性回复而引起的形变，使制品外形规整，表面图文清晰，质量优良。
但是，如果冷却时间过长，那么就会造成因制品的结晶度增加而降低韧性和透明度，生产周期延长，生产效率降低。
如果冷却时间过短，那么所吹制的容器会产生应力而出现孔隙，影响制品质量。
因此，在挤出吹塑中需要对冷却时间做较精确的控制。
本系统中，V80系列PLC的时间定时器分辨率可达到1毫秒，可通过触摸屏设定精确的冷却时间，使有效提高吹塑成形生产效率的同时，保障制品的外观质量和性能。
4. 结论
本文给出了V80系列PLC在挤出吹塑成型系统中的控制方案，重点阐述了PLC在型坯温度、挤出压力、冷却时间和型坯厚度等方面的控制特点，说明该控制系统完全可以满足当前吹塑成型机对自动化、智能化、高精度和高速度的技术要求。
该系统已在华南某家挤出吹塑成型机生产厂家中获得了的应用，经过近一年的使用，系统运行情况良好，有效地提高了型坯温度、挤出压力、冷却时间和型坯壁厚的控制精度，进而提高生产效率和产品质量，具有良好的工程应用和市场推广价值。
