摘要：随着塑料工业的迅速发展，双螺杆挤出机已成为塑料加工的主要设备之一。双螺杆挤出机的主要作用是将熔融塑料从机头送入挤出机进行塑化、加热、成型。因此，对挤出工艺及过程的控制也是非常重要的，而温度控制又是双螺杆挤出机温度控制中的重要组成部分，双螺杆挤出机的温度控制系统是影响产品质量和能耗的关键因素。因此，设计一套稳定可靠、高精度、高效率的双螺杆挤出机温度控制系统具有重要意义。本文对双螺杆挤出机温度控制系统的设计与优化进行了研究。

关键词：双螺杆挤出机；温度控制；设计优化

双螺杆挤出机温度控制系统，是双螺杆挤出机生产过程中的重要环节，其主要是以双螺杆挤出机的工作温度作为依据，以控制系统的加热、冷却或其他循环过程中的工艺参数。在实际生产过程中，双螺杆挤出机的温度控制系统会受到很多因素的影响，因此要根据实际情况对其进行优化，从而提高双螺杆挤出机生产效率和产品质量。

一、双螺杆挤出机温度控制系统存在的问题

1.温度控制精度低

双螺杆挤出机在挤出过程中，温度和压力是控制物料塑化效果的两个重要参数。虽然在一般情况下，双螺杆挤出机温度控制系统对这两个参数进行调节，能够提高塑化效果。但是，双螺杆挤出机温度控制系统的设计存在一定问题，导致其温度控制精度较低。而在实际生产过程中，由于受到外界环境因素的影响，导致温度会发生波动。例如：当外界温度发生变化时，就会影响到双螺杆挤出机的螺杆转速和剪切速度等参数。而这些参数会对双螺杆挤出机的螺杆和料筒中物料塑化效果产生一定的影响。

2.控制方式单一

双螺杆挤出机生产过程中温度控制的方式有很多，最常见的是通过控制机筒内的加热器来调节机筒内物料的温度。这种方式虽然简单，但是由于加热器体积过大，容易造成其散热不均匀，从而导致料筒温度过高或过低。特别是在使用一些质量较差的塑料时，这一问题更加严重。除此之外，双螺杆挤出机生产过程中还会存在多个加热元件的情况。而多个加热元件之间存在一定的相互影响，容易导致温度波动，从而影响产品的质量和生产效率。这就要求控制系统不仅要准确地控制加热元件之间的温度，还要保证各个温度段的稳定。由于双螺杆挤出机生产过程中所涉及到的环节较多，如果想要保证其稳定运行，就必须采用多个控制方式来确保各部分之间的相互配合。

3.系统缺乏统一的设计规范

目前，国内双螺杆挤出机温度控制系统大多采用 PLC控制，通过调节加热电源的输出功率来调节加热温度。虽然在双螺杆挤出机的温度控制系统中，采用了 PID和 PLC控制相结合的方法，但是由于没有统一的设计规范，难以保证系统的可靠性。不同厂家采用不同的 PLC控制方式，其控制系统之间也存在着差异。从整个双螺杆挤出机温度控制系统来看，由于缺乏统一的设计规范，给系统的可靠性带来了一定程度的影响。双螺杆挤出机温度控制系统出现故障时，用户无法从系统中获取故障信息，很难对故障进行判断和处理。这就使得用户在使用过程中往往处于被动地位，无法对整个系统进行有效地维护和管理。当系统出现问题时，用户往往需要向厂家咨询、反映或者将问题上报给国家有关部门。这就严重影响了整个双螺杆挤出机温度控制系统的可靠性和稳定性。

4.温度设定值不能有效调节

在双螺杆挤出机温度控制系统中，通常会有多个不同的设定值，这些设定值对挤出温度的影响也是不同的，如果操作人员不能有效地对这些设定值进行调节，将会影响到双螺杆挤出机温度控制系统的性能。一般情况下，双螺杆挤出机的温度控制系统通常会采用 PID控制方式进行控制，这种方式虽然可以有效地调节双螺杆挤出机的温度设定值，但是 PID控制系统本身存在一些缺陷。如双螺杆挤出机在运行过程中，如果操作人员在不需要调整 PID参数的情况下随意更改温度设定值，那么很容易造成双螺杆挤出机温度设定值不能有效调节。

5.温度控制系统无法实现节能控制

在挤出温度控制系统中，一般情况下，均采用 PID参数来实现对双螺杆挤出机温度的控制，但由于双螺杆挤出机的温度变化具有一定的滞后性，其动态响应速度相对较慢，且存在一定的非线性关系，因此无法通过 PID参数对其进行实时控制，导致挤出温度的控制精度不足。同时，在实际生产过程中，由于温度控制系统受外部环境影响较大，经常出现外界温度发生变化的情况，且存在一定的随机性，因此导致其控制精度不够准确。在实际应用过程中，由于双螺杆挤出机具有较强的非线性、时变性和滞后性等特征，且双螺杆挤出机的温度变化受多种因素影响。

二、双螺杆挤出机温度控制系统的设计与优化

1.加热元件

双螺杆挤出机的加热元件主要有电加热器和燃烧式加热元件两种。电加热器主要有电阻丝、电热管两种。电阻丝是一种常用的电加热元件，它主要用于对金属外壳等进行加热，一般为扁圆柱形，体积小，电阻率大。电热管是一种常用的电热元件，它主要用于对塑料制品进行加热。当塑料制品在生产过程中处于熔融状态时，塑料中的水分会与塑料中的氯离子发生反应生成氯化氢气体，从而使塑料中的氯含量增加，为了避免这种情况发生，可以在塑料制品的表面涂上一层保护剂。这样在塑料制品的生产过程中就可以避免氯元素对人体造成伤害。通常情况下，电热圈的电阻率较大，因而其具有一定的热容量和较高的电阻率。但由于其体积大、质量重、电阻率相对较小等原因，使得其在使用时会出现升温缓慢、升温慢等现象。

2.冷却装置

双螺杆挤出机在工作时，由于物料的冷却、分散和物料的塑化，需要对物料进行大量的输送、混合和熔融等操作，从而产生大量热量。要保证双螺杆挤出机的正常工作，就需要对温度进行控制。双螺杆挤出机的冷却装置由两个冷却装置组成，分别是冷却泵和冷却风机。在双螺杆挤出机中，为防止物料在挤出过程中被分解和熔融，会对其进行冷却降温。当物料与空气接触时，空气会迅速被加热，然后再经过压缩进入冷却泵。通过冷却泵把空气从物料中抽出来，而压缩后的空气则经过冷却器进行降温。同时，由于在双螺杆挤出机中，物料与空气接触后会吸收热量而膨胀，此时应把膨胀后的气体排出。因此为防止物料被加热后膨胀而使挤出机机筒破裂，一般在冷却泵内设置冷却换热器。为了避免物料受热后膨胀过大而导致出料温度过高、影响双螺杆挤出机的正常工作，应控制物料与水接触的时间和距离。

3.人机界面

人机界面（HMI）是应用计算机和工业控制技术，将工业生产过程的信息，如温度、压力、流量、速度等，进行人机对话，使其在计算机上以图形方式显示出来的设备监控系统。它能完成对生产过程的控制和管理。本系统采用 PC+ PLC模式进行温度控制， HMI选用的是美国 INTEL公司的 Embedded CompactData- II系列组态软件，可实现各种功能，如系统操作、报警显示、报表打印等。该系统可以对温度进行实时监控，并可实现对整个温度控制系统的监控。根据实际需求，可采用触摸屏显示方式进行人机交互，其界面如图1所示。控制面板上安装有一个触摸屏。操作人员可以通过触摸屏对温度进行设置、修改和监控。该触摸屏选用西门子公司生产的S7-200系列，其内部具有丰富的I/O功能块及完善的图形界面功能，能与下位机 PLC进行通信。通过通讯口与上位机进行数据交换。可实现温度采集、控制、报警等功能，还可实现人机交互、画面监控等功能。同时，为了提高设备运行的可靠性及安全性，系统还配置了硬件防雷、短路保护等硬件装置和电气防火系统。根据上述需求，在主控制回路中配置了一台基于西门子S7-200系列 PLC的温度控制装置，通过RS485总线与上位机S7-200进行通信，实现了对双螺杆挤出机温度的实时监控和调节。

4.控制电路

温度控制电路主要由温度检测电路、信号放大电路、A/D转换电路和晶闸管整流电路等部分组成。在双螺杆挤出机的控制系统中，温度传感器可以实时检测物料温度，并将采集的数据传送到 CPU进行计算处理，并根据结果决定加热功率或停止加热。因此，需要对温度进行检测和控制。针对双螺杆挤出机的温度控制系统，在实际应用过程中，可以利用单片机对温度传感器采集的数据进行处理和分析。单片机作为双螺杆挤出机温度控制系统中最核心的部分，它将采集到的温度数据转化为数字信号并传递给 CPU进行处理，然后对处理后的数据进行分析和计算，通过输出控制量来控制加热功率或停止加热。双螺杆挤出机的加热功率和加热时间会受到很多因素的影响，例如物料性质、物料产量、环境温度等。在实际应用中，需要通过对双螺杆挤出机加热功率和加热时间进行测量，确定其是否符合工艺要求。当双螺杆挤出机温度过高时，需要对其进行降温处理；当双螺杆挤出机温度过低时，需要对其进行升温处理。通过上述方式来达到控制物料温度的目的。

5.温控仪表的选型

由于温度控制是一个高精度的过程控制，在温控仪表的选型上一定要注重温度测量的准确性，这也是设计和优化控制系统的基础。首先，要进行热电阻、热电偶等温度仪表的选型，它们的精确度直接影响到测量值与实际温度值之间的差值，所以在选择时一定要认真仔细。其次，要选择好数字量的采集单元，这种数字量可以是模拟量也可以是开关量，而对于开关量我们要选择具有通讯功能的模块，通过该模块我们可以将温度信号转换为标准的4-20 mA电流信号。最后，温控仪表还要进行数据采集和控制系统的通讯处理。通常情况下温控仪表都是将采集到的温度信号与上位机进行通讯处理后再输出控制信号给 PLC。

6.温度控制系统组成

温度控制系统主要由传感器、执行机构和信号处理等部分组成。主要有以下几方面：（1）温度传感器：利用热电阻、热电偶等测温元件组成温度传感器，主要测量被控对象的温度，然后将所测得的温度信号通过转换器转换成数字信号，传送给执行机构。（2）执行机构：根据系统需求选择合适的执行机构，对被控对象进行加热或冷却。（3）信号处理：将检测到的被控对象温度信号进行放大、滤波、处理，通过计算输出控制信号。（4）控制程序：根据控制要求编写控制程序，主要包括对加热或冷却过程的控制。在工作过程中，当被控对象的温度变化超过一定范围时，控制器就会发出指令，调整加热或冷却系统中的设备工作状态，使被控对象始终处于规定的工作状态。这种控制方式通常称为 PID控制。由于其响应速度快、稳定性好等特点，被广泛应用于双螺杆挤出机的温度控制系统中。

三、结语

总之，PID控制算法的双螺杆挤出机温度控制系统具有较好的动态响应特性，对工业生产中的复杂问题有较强的自适应性和抗干扰能力，并且在双螺杆挤出机温度控制过程中能够很好地保持生产过程中原料、工艺参数等要求的稳定。这为双螺杆挤出机温度控制系统的设计与优化提供了一定的参考依据。

参考文献：

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