上个月一个做塑料件的兄弟给我打电话，说他们厂一台用了八年的海天注塑机，最近温度控制出了毛病。仪表显示温度到了，实际料没化开，出来的产品全是缺陷。换了个温控表两三千，但是老设备根本就买不到同型号的了。
他问我能不能用PLC把这套温控系统改造一下。我说这不正好撞枪口上了吗，注塑机温控我搞过几台，技术成熟得很。
但接了活才发现，事情没那么简单。这台注塑机有12段加热区，每段一个热电偶、一个固态继电器，原来是一个多通道温控仪在管。我要用一台PLC同时控12个PID回路，而且每个区的温度设定值不一样——射嘴区200度，料筒1-4区从180到230度逐段递增。关键是不同区之间还会互相影响，比如料筒3区加热的时候，料筒2区和4区的热电偶都会感应到温度变化。
选型：S7-1200加扩展模块
我用的是西门子S7-1200 1214C，配了两个SM1231 8通道热电偶模块，12个K型热电偶信号正好接完。输出端用的是继电器模块加SSR（固态继电器），一路控制一个加热圈。CPU本身带PID功能，可以直接调用工艺对象，不用自己写PID算法。
之前有人问过我为什么不直接用温控表？答案是：12个区的温控表买下来也要七八千了，而且没法做联动控制。用PLC既做了温控，又能顺便做整机的逻辑控制和安全联锁，性价比高。
第一坑：PID参数一个一个手动调，调了三个通宵
我一开始的想法很简单：每个PID回路单独设参数，调好一个调下一个。结果发现完全不是这么回事。
第一个区（射嘴区），我按经验设了P=10、I=5、D=0，开始自整定。跑了两轮，效果还行，温度波动控制在±1.5度以内。但一到3区开始整定，问题来了——3一加热，2和4的温度探头就开始跟着往上跑，因为加热圈的热量会通过料筒传导到相邻区。4区的PID检测到温度偏高，自动减小了输出，结果4区实际温度又不够了。
这种相互耦合的问题，搞温控的人都懂，叫”相邻加热区串扰”。说白了就是多个热源靠得太近，各区的热电偶互相读到对方的温度。
我一晚上没睡，试了各种组合方案。最后搞出来一个笨办法但管用的对策：
第一，把所有区的PID先设成一样的参数（P=8, I=3, D=0），然后逐个微调。而不是每个区独立整定完再组合。
第二，给每个加热区加了一个最小输出保持——不管PID算出来要不要关，每个区至少保留5%的加热功率。这听起来违反直觉，但实际效果是让各区之间温度梯度更稳定，不会出现某个区完全关断导致相邻区误判的情况。
第三，也是最关键的——我把温度采样周期从默认的1秒改成了500毫秒，同时把PID的循环时间设成了2秒。这样PID在每个周期内能读到两次温度采样值取平均，波动平滑了很多。
这三板斧下去，12个区的温度终于稳定了，整体波动在±1度以内。但就这一步，花了三个通宵。
第二坑：PID自整定并不万能
S7-1200的PID工艺对象自带自整定功能（TIA Portal里那个PID Compact v2），我一开始也是想偷懒，让PLC自己跑自整定把参数算出来。
结果跑完自整定，各区的参数确实出来了。我兴冲冲地装上开始生产，前两小时一切正常，第三个小时开始飘了——产品出现银纹（就是表面有银色条纹，说明温度偏高导致材料降解）。
查了半天发现问题出在哪：自整定时给的是一个恒定的设定值，比如设定200度就让系统从室温加热到200度稳定，然后根据阶跃响应算出PID参数。但注塑机实际工作时，设定值不变，但是负载在不断变化——注射阶段大量冷料进入料筒，吸收大量热量；塑化阶段螺杆转动摩擦生热，又相当于额外加热源。自整定跑出来的参数，在变负载条件下表现很差。
解决办法：我用自整定算出的参数做基础值，然后在实际生产中根据温度偏差的趋势做动态微调。具体做法是在PID输出上加了一个前馈补偿（feedforward），补偿值跟螺杆转速做线性映射——螺杆转得快的时候，摩擦热大，送料段的加热功率自动减少相应比例。这步做完之后，即使在高速注射的情况下，温度波动也被控制在了±1.5度以内。
第三坑：热电偶断线检测
设备装好跑了五天，操作工突然跑过来说第三区的温度显示-9999度。我第一反应是热电偶坏了。但拆下来量了一下热电偶本身是好的，后来发现是接线端子松了，K型热电偶的两根线在震动中脱了一根。
这个事让我加了一个功能：每个热电偶通道做断线检测。S7-1200的热电偶模块其实自带断线检测功能，只要在硬件配置里勾选”Wire break monitoring”就行。检测到断线之后，PLC自动把这个区的加热停掉，同时在触摸屏上弹报警窗口，告诉操作工哪个区有问题。
后来跟同行聊，他们说有些厂出过更大的事——热电偶断了，PLC检测到温度为零（开路状态下信号的趋势），以为温度不够，就全功率加热，结果把整个料筒里的料全部烧焦了。所以这个功能一定不能省。
最终效果和成本
改造完三个月了，这台注塑机一直稳定运行。几个关键数据：
温度控制精度：±1度（原来温控表是±3度）
产品合格率：从改造前的87%提升到了96%
换模温机时间：之前换个模具调温要一个多小时，现在配方功能一键切换，5分钟搞定
加热能耗：因为控制精度提高了，温度波动小了，平均加热功率反而降了约8%
成本方面：S7-1200 CPU一台约1800块（二手的更便宜），热电偶模块两个约3000块，固态继电器12个约600块，加上一些辅材，总共六千左右。客户说一个季度省下来的废品损失就把设备钱赚回来了。
一点心得
注塑机多段温控改造不是什么高端技术，但要做好真不容易。最难的不是代码怎么写，而是真正理解温度场之间的耦合关系，以及PID参数在实际负载变化下的表现。书上的PID理论和现场调出来的参数，差了十万八千里。
另外多说一句：如果你也是用S7-1200做温控，记得把PID工艺对象的”Output value upper limit”设一下上限，别默认100%输出。不然如果温度传感器出问题，加热管会全功率一直烧，轻则烧了模具，重则出安全事故。
你们有没有做过类似的温控改造？遇到过哪些坑？评论区见。