一种基于多点检测的注塑机温度控制系统

黎洪洲

摘?要：注塑机温度控制主要包括对料筒温度、料口处温度、喷嘴温度、模具温度、油温进行控制。温度是注塑工艺的重要参数，温度控制不好将直接影响到制品的质量。本文基于多点检测技术，设计了一种注塑机温度控制系统。该系统硬件采用成本较低的单片机为处理器，软件上采用模糊控制算法，对温度控制的精度较高且速度较快，能够满足生产实践的需求。

关键词：注塑机温度控制?单片机?温度传感器

中图分类号：TQ320 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）10（a）-0085-01

在注塑成型过程中，温度是影响产品质量的重要因素[1-2]。控制温度就要求在检测、控制环节有良好的性能及较高的自动化程度。在测控系统中，对各个监测点进行温度测量，采用多点温度监控[3]。这种方式与单点PID控制相比，特别是点数较多的时候，系统要复杂很多。检测系统的改造与升级采用多处，多点温度监控可提高系统的精度和速度，提升了注塑机控制系统的性能[4]。

本文设计的系统采用多个热电偶温度传感器，将注塑机内部不同位置检测的塑料温度信号传给控制器，通过注塑机工艺参数设置与优化编译软件，控制器实时输出控制命令，控制加热、冷却装置来控制温度，从而达到调节温度的目的。该系统控制精度高，速度快，能满足生产实践及教学的需要。

1系统硬件设计

注塑机温度控制硬件系统中。处理器采用编程较方便的通用单片机AT89C51。多点的多个温度传感器将测得的温度信号，经过运算放大器放大，传给ADC进行模数转换。控制温度的执行元件为若干个电磁继电器，实现注塑机的加温或降温过程[5]。

注塑机的多点温度测量有三种情况。

（1）峰值温度测量。要准确地测量出物料某时间的温度，必须把测温端插在物料中，此方法就是峰值温度测量。峰值温度是不连续的一段的温度值，可以实时显示，但实时调节控制有延后。

（2）平均温度测量。注塑机多点测量温度的平均值。总的来看，一般采用3个热电偶温度传感器，其安装位置一般在切面上均匀分布，互成封闭的整体。而且热电偶成并联的形式。因为并联热电偶输出端的热电势是所有并联热电偶测量值的平均值。所以测量的是整个切面的平均温度，较接近物料的实际温度，因此采用平均温度控制结果较好。

（3）瞬态温度测量。在切面上的左右对称点的位置放两个热电偶，它们的热电势应基本相同，其平均值就是它们各自的即时测量值。可以测量出来该切面物料的瞬时温度值，这种测量就叫瞬态温度测量。把测量信号输出，用来显示监视和控制，能达到其测量和控制的结果。实际中要考虑多个热电偶温度传感器的位置与绝缘的长度问题，测量的温度信号是不是连续的信号，一般此信号只可以实时显示。

本系统采用平均温度测量方法。用热电偶PT100做温度传感器，PT100铂电阻温度传感器的零度阻值为100Ω，其电阻变化率为0.3851Ω/℃，是中低温区（-200～650℃）最常用的一种温度检测器。它的精度高，重现性和稳定性好，应用温度范围广，广泛应用于工业测温。

温度检测到的信号经过前端放大电路放大。传感器测量电桥由R33、R42、R36 和Pt100 组成。电桥的输入电压通过TL431稳至2.5V，用来保证电桥输出电压信号的稳定。输出的差分信号通过U5A，U5B后输入单片机。R36是可调电阻，一般用来调整零点。调节R36能改变输入到运放的差分电压信号大小。采用LM358集成运算放大器，放大电路采用两级放大，前一级约为10倍，后一级约为2倍，能防止单级放大倍数过大产生的非线性误差。温度变化范围0～100℃，如果温度上升，Pt100阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，输出电压也会相应变高。

A/D转换器采用间接型A/D转换方式中的V，F转换器，型号为LMI31，它的作用是把电压信号转换为不同频率的数字信号，再送到计算机的串口，通过计算机识别其频率的变化来确定电压变化情况。LMI31是通用型的V/F变换器，适用于A/D转换器、高精度V/F变换、长时间积分器、线性频率调制或解调器等电路。

2 系统软件设计

为了准确的进行温度调节，提高控制精度及效率，温度划分区间模糊控制的原理，把温度划分为直接加热区、温度主控区和加热停止区三个调节范围（划分范围可根据工艺参数设置与优化，也可设定温度T 的百分比为基准，用户在输入界面中完成）。由实例推理技术模拟工艺参数设置，使温度误差在不同的范围内采取不同的控制策略。在直接加热区时，用固态继电器控制电路导通、截止。以控制加热器的工作状态，使温度迅速达到调节范围。控制温度偏差在误差范围内，不至于PID运算的积分累积，引起系统较大的超调，甚至震荡，温度主控区的[T1，T2]阶段为积分分离阶段，进行PD （比例-微分）控制，而在[T2，T3]范围内则采用PID控制。在注塑机工作时，注塑温度主要在这个范围内波动，控制器根据脉宽调制原理决定继电器的导通或截止时间，实现温度的精确控制。

3 调试结果

3.1 温度整定

本系统实验用的传感器为PT100型热铂电阻，温度控制模块将传感器传来的信号转化成2字节长的无符号数输入工控机。实验结果显示，此数据在传感器整个温度测量区[0，300]表现出非线性的特征，但在分段区间内显示出良好的线性特征。在温度整定过程中，为了实现快速、准确的目的，采用了MATLAB这类的工具，对数据采用归一化处理及最小二乘法拟合。在程序测试中，编制了一个模块运用拟合的结果对温度进行整定，经现场实验验证，在注塑机工作的温度范围内，整定精度优于0.5%取得了符合要求结果。

3.2 温度控制曲线

实际试验采用聚丙烯粒料。如图5从温升曲线可以看出，直接加热段显著缩短了加热时间，由初始状态接近设定温度不到10min，积分分离以及超限加热停止（系统设定为超过设定温度2℃则加热停止）策略，能较好的解决温度过冲问题；减少采样时间（0.5s）可使系统对温度变化的响应加快，系统动、静态控制精度得到提高。

4 结语

注塑工艺对温度控制的要求高，根据生产和教学要求，本文给出了一种基于多点检测的注塑机温度控制系统。该系统硬件成本较低，通用性强，且实践表明该系统温度控制效果较好，能满足大多数实践应用场合。

参考文献

[1]万力，彭玉楼.单片机在注塑机温度控制中的应用[J].机械与电子，1997.

[2]林国治，尹开勤，刘钊.基于单片机的注塑机温度采集系统的设计[J].机械设计于制造，2011.

[3]孙振强.基于单片机的注塑机温控系统设计[J].机电产品开发与创新，2012.