V80 系列PLC 在擠出吹塑成型控制系統中的應用
摘要：本文介紹了V80 系列PLC 在擠出吹塑成型控制系統中的應用情況，詳細闡述了擠出吹塑成型機的工藝過程，針對型坯溫度、擠出壓力、冷卻時間和型坯壁厚等方面的控制特點，以V80 系列PLC 為例，重點描述了擠出吹塑成型控制系統的實現過程，最后說明該控制系統具有良好的工程應用和市場推廣價值。
關鍵詞：PLC、吹塑成型、溫度、壓力、壁厚控制
1．引言
擠出吹塑成型機是目前產量最大的一種生產容器和中空制品的吹塑成型設備，可生產出從最小只有1ml 到最大可達10000l 的各種容器制品，如牛奶瓶、飲料瓶、洗滌劑瓶、化妝品瓶以及化學試劑桶、飲料桶、礦泉水桶等。
近年來，擠出吹塑成型的主要技術趨勢是朝著自動化、智能化、高精度和高速度的方向發展。因此，如何提高傳統擠出吹塑成型的整體技術含量，使之適應該行業技術發展趨勢要求是很重要的課題。
本文描述的擠出吹塑成型機采用德維森科技（深圳）有限公司開發生產的V80 系列PLC作為主要的電氣控制系統，應用情況說明該系統完全可以符合自動化、智能化、高精度和高速度的技術發展趨勢。
第一，V80 系列PLC 高度融合了電子技術、自動化技術及網絡技術，用V80 系列PLC作為吹塑成型機的控制系統，將使吹塑成型機具有擠出、合模、吹脹、冷卻和開模等過程的自動控制功能，同時具有擠出型坯溫度、擠出壓力和冷卻溫度的自動調節功能，向著自動化和智能化的方向發展。
第二，V80 系列PLC 中的具備高精度的熱電偶模塊和模擬量輸入輸出擴展模塊，可以滿足型坯溫度、擠出壓力、型坯壁厚的高精度控制要求，達到制品成型所要求的質量要求，而且精度重復性好；采用高速硬件解析技術的CPU 模塊和本身帶有CPU 芯片和專用共享數
據區的模擬量擴展模塊，可極大地提高熔料塑化速度，擠出速度以及開合模速度，縮短了成型周期，并保證了制品的成型質量。
2．設備工藝過程
擠出吹塑是制造空心塑料制品的成型方法，是借助氣體氣體壓力使模具內的熱型坯吹脹成容器的。擠出吹塑設備由擠出機、機頭、模具、吹氣系統和鎖模裝置構成，如圖1 所示，
其工藝過程：
（1） 將熱塑性塑料從進料口進入機筒內，由擠出機將塑料熔化成熔料流體，經過擠壓系統塑煉和混合均勻的熔料以一定的容量和壓力由機頭口模擠出形成型坯；
（2） 將達到規定長度的型坯置于吹塑模具內合模，并由模具上的刃口將型坯切斷；
（3） 由模具上的進氣口通過壓縮空氣以一定的壓力吹脹型坯；
（4） 保持模具型腔內壓力，使制品和模具內表面緊密接觸，然后冷卻定型，開模取出制品。
在吹塑過程中，型坯的形成和吹脹是吹塑過程的核心，型坯形成和吹脹質量的高低直接影響著容器制品的質量好壞，而熔料的受熱溫度、擠出壓力和和冷卻時間將直接影響型坯的成型和吹脹質量。型坯壁厚在吹氣成型過程中若沒有得到有效控制，冷卻后會出現厚薄不均的狀況，胚壁產生的應力也不同，薄的位置容易出現破裂。因此，控制型胚壁厚對于提高產品質量和降低成本也同樣重要。
綜上所述，如何控制擠出機的受熱溫度、擠出壓力、制品的冷卻時間以及型胚壁厚成為影響容器制品質量的幾個關鍵因素。
3．控制系統設計
3.1 系統原理及配置
粒狀或粉狀的塑料經擠出機塑化達熔融狀態，通過采集電子尺數據，反饋控制擠出熔料量，使熔料通過預定流速進入機頭。當儲料量達預定值時，由PLC 控制機頭口模打開。根據設定的型坯壁厚曲線，由PLC 完成進行型坯壁厚控制。同時，將熔融物料壓出形成制品型坯，模具成型機合模機構采用四拉桿三板聯動系統，合模機的運動速度按設定值實現自控，運動平穩。合模后吹氣，型坯在模具內成型為中空制品，冷卻定型后開模，由PLC 控制機械手取出制品。
系統電氣控制部分的基本配置如下：
（1）控制器采用德維森科技（深圳）有限公司生產的V80 系列PLC 進行動作控制和50 點型坯壁厚控制。
（2）溫度的測量采用工業鎧裝熱電偶，溫度控控制由V80 系列的熱電偶模塊E5THM完成，該模塊本身內置CPU 芯片， 可執行PID 算法，在上電設置好參數后，E5THM 模塊就可以自行控制固態繼電器的通斷，從而控制溫度的穩定，波動范圍小。
（3）壓力傳感器采用的是PT124 型壓力傳感器，數據采集工作由V80 系列的8 通道模擬量輸入模塊E8AD1 完成。
（4）壁厚控制由機筒電子尺反饋型坯長度給PLC，然后通過V80 系列的4 通道模擬量輸出模塊E4DA1 控制執行機構驅動伺服閥完成。
（5）操作面板采用觸摸屏完成整機的型坯溫度、擠出壓力、型坯壁厚以及冷卻時間等各種工藝參數的設定、修改、畫面顯示等，采用菜單式程序控制，操作簡便可靠，能使設備經常處于良好運行狀態，并保證人機安全生產。
3.2 溫度控制系統
在擠出吹塑的過程中，需要加熱和散熱工作在平衡狀態，以使擠出熔料溫度達到某一動態平衡。因此，擠出過程的溫度需要實時測量和控制。圖2 所示為擠出吹塑機的溫度控制系統框圖。
擠出機的溫度經熱電偶采集到熱電偶模塊E5THM 中，模塊內本身內置CPU 芯片，具有5 路熱電偶輸入和5 路晶體管PWM 輸出，可以在模塊內完成PID 控制算法，控制精度為±1℃。E5THM 采集到的溫度信號與設定溫度比較得到偏差信號，如果測量溫度大于設定值，則模塊按時間周期占空比的PID 算法，通過PWM 脈沖調寬技術控制固態繼電器動作，使擠出機加熱裝置停止加熱，反之亦然, 進行冷卻控制操作。機筒溫度設定和實時溫度顯示可以通過觸摸屏完成。
3.3壓力控制系統
擠出壓力對于熔料的流變性能來說也是重要的影響因素，如果擠出工藝穩定，加工溫度和螺桿速度不變，故黏度是一個常數。根據黏性流體的流動方程式可知，擠出機的擠出量與螺桿轉速成正比，而機筒壓力成反比。
因此，擠出過程的壓力很重要，需要進行實時測量，以保障形成型坯的質量，進而保證了制成品的產品質量，壓力測量系統如圖3 所示。
3.4型坯壁厚控制
熔料從口模擠出處于黏流態流動一段時間，由于原材料特性、擠出溫度和擠出流量隨時間變化呈非線性變化，所以型坯在擠出過程中，型坯壁厚發生變化。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。
壁厚控制系統是對模芯縫隙的開合度進行控制的系統，也即位置伺服系統，它由控制器、電液伺服閥、動作執行機構和作為位置反饋的電子尺構成。當機頭口模打開時，PLC 讀取機筒電子尺反饋的型坯長度，然后根據型坯壁厚曲線，通過高精度模擬量輸出模塊E4DA2 輸出±10V 的電壓信號給電液伺服閥，伺服閥直接驅動執行機構控制模芯上下移動，調整口模與芯模的間隙大小來完成口模開度的控制，進而完成型坯壁厚的閉環控制，如圖4 所示。此時，壁厚型坯設定采用數字化方式，通過操作面板完成50 點型坯壁厚控制的設定，型坯壁厚曲線的縱坐標顯示型坯長度，橫坐標顯示口模開度。
3.5 冷卻時間控制
在整個吹塑成形的過程中，冷卻時間是控制制品的外觀質量、性能和生產效率的一個重要的工藝參數。
控制適當的冷卻時間可防止型坯因彈性回復而引起的形變，使制品外形規整，表面圖文清晰，質量優良。但是，如果冷卻時間過長，那么就會造成因制品的結晶度增加而降低韌性和透明度，生產周期延長，生產效率降低。如果冷卻時間過短，那么所吹制的容器會產生應力而出現孔隙，影響制品質量。因此，在擠出吹塑中需要對冷卻時間做較精確的控制。
本系統中，V80 系列PLC 的時間定時器分辨率可達到1 毫秒，可通過觸摸屏設定精確的冷卻時間，使有效提高吹塑成形生產效率的同時，保障制品的外觀質量和性能。
4. 結論
本文給出了V80 系列PLC 在擠出吹塑成型系統中的控制方案，重點闡述了PLC 在型坯溫度、擠出壓力、冷卻時間和型坯厚度等方面的控制特點，說明該控制系統完全可以滿足當前吹塑成型機對自動化、智能化、高精度和高速度的技術要求。
該系統已在華南某家擠出吹塑成型機生產廠家中獲得了的應用，經過近一年的使用，系統運行情況良好，有效地提高了型坯溫度、擠出壓力、冷卻時間和型坯壁厚的控制精度，進而提高生產效率和產品質量，具有良好的工程應用和市場推廣價值。