真空成型機中的溫度控制系統(tǒng)設計

　　真空成型機是利用熱成型工藝制造冰箱內(nèi)膽的大型塑料加工機械，是冰箱制造企業(yè)的主力設備之一。由于長期以來，我國塑料加工機械的設計水平有限，不能在高端成型機領域滿足國內(nèi)市場的需要，這部分空缺主要由國外的品牌來填充。在過去的十幾年間，我國從國外引進了大批技術(shù)上比較先進和成熟的成型機，這部分設備為我國過去十幾年來經(jīng)濟的飛速的發(fā)展做出了很大的貢獻。但隨著我國經(jīng)濟水平的提高和經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的調(diào)整，越來越多的人開始意識到發(fā)展我國機械制造業(yè)的重要性。

　　真空成型機包括上料、預熱、加熱、成型，四個工位。其中，預熱和加熱工位屬于成型機的加熱部分，用來對熱塑性塑料進行加熱，使其軟化到一定程度，是片材在成型過程中的一道重要工序。我們之所以說這道工序十分重要，一是因為片材的軟化效果在很大程度上決定了片材最后的成型質(zhì)量，如果在加熱過程中，溫度沒有控制好，就會使得片材在成型時達不到預期的效果，導致廢品，增加次品率;二是在熱成型過程中，加熱階段的能量消耗高達總能量需求的80%，能源成本高，出于成本節(jié)約或者能耗評估的需要，我們也要對加熱部分系統(tǒng)的工作過程有一個清楚的認識;三是將片材加熱到成型溫度所需的時間，一般約為整個成型工作周期的50%-80%，如何縮短加熱時間有其重要的意義。

　　第二章 溫度控制系統(tǒng)設計

　　在片材的整個成型過程中，加熱部分對片材溫度的控制是一個十分重要的工序，也是我們的重點要研究的內(nèi)容之一。下面將具體介紹一下片材的溫度控制在本系統(tǒng)中的應用。

　　2.1 加熱器及SSR驅(qū)動

　　片材的加熱方法并沒有嚴格的限制，可以是熱板的傳導;也可以是紅外線的輻射。供給熱板熱量的方法有油、煤氣、電、過熱水、蒸汽等多種。當使用煤氣或油作熱能源時，煤氣通常以可控方式燃燒，和電力成本對比，用煤氣作為熱源比較低廉，但是溫度控制很困難，遠沒有電熱系統(tǒng)控制精確，而且燃燒還會產(chǎn)生二氧化碳，設備需要適當?shù)耐L、廢氣排除和排放系統(tǒng)，在用過熱水和蒸汽作熱源時，也存在類似的問題;電力是最廣泛使用的加熱能源，雖然電力比較昂貴，但是電力比較容易取得，且控制性能很強，使得電加熱技術(shù)成為熱成型過程使用最多且最適宜的技術(shù)。

　　輻射加熱是用加熱器產(chǎn)生的輻射熱來加熱材料的，其輻射能來自光譜的紅外線段電磁波，由于塑料材料對一些遠紅外線波長的波有強烈的吸收作用，加熱效率高，而且可控性好，所以現(xiàn)代化成型機大都采用遠紅外加熱裝置。如圖1所示，為淺野四工位真空成型機加熱器所用的快速金屬加熱瓦，它采用AC27V電壓供電，當通電時，高電阻金屬絲(鎳-鉻合金絲)產(chǎn)生輝光紅熱，并產(chǎn)生輻射能對片材進行加熱，斷電后，冷卻速度也快，熱慣性小，使用壽命長。加熱瓦加熱的片材厚度最大4. 0mm，為增進加熱效率，提高生產(chǎn)效率，在對片材加熱時，采用了兩面加熱的方法，也就是在片材上下各用一套加熱器。在兩面加熱時，因為熱空氣是向上升的，還可防止片材在加熱時過分下垂(片材過分下垂接觸加熱器會引起火災)。

　　對片材進行加熱，是真空成型工藝中十分重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到內(nèi)膽成型質(zhì)量的好壞。由于片材各部分的加熱程度要求各異.因此對加熱溫度的控制比較復雜和特殊，這就要求我們能根據(jù)系統(tǒng)要求實時控制加熱器的功率大小，以達到在對片材進行加熱時，將片材的不同區(qū)域控制在不同溫度的目的。在本系統(tǒng)中，加熱部分每一塊加熱瓦由一個固態(tài)繼電器(SSR型號：OMRON，G3PA-220B)來驅(qū)動，通過控制SSR的通斷來給加熱瓦供電，通過控制SSR的通斷時間比(也即PWM脈寬調(diào)制)來調(diào)節(jié)每一塊加熱瓦的功率，這種控制方式不會像可控硅相位控制那樣產(chǎn)生諧波，不會造成對電源的污染，可以使加熱器對溫度的控制能夠精確到每一塊加熱瓦上，特別適用于像這種具有較大規(guī)模數(shù)量SSR的控制，而且能產(chǎn)生很不錯的生產(chǎn)效果。

　　2.2 溫度控制原理

　　根據(jù)我們的研究，真空成型機最終成品的生產(chǎn)質(zhì)量主要取決于兩個方面，一是加熱部分對片材的溫度控制;二是在成型工位對片材的成型處理。其中，尤以對片材的溫度控制難點最大，這是因為片材在最后成型時，對片材各部分區(qū)域的溫度和拉伸要求是不一樣的，待加熱完成后，片材中間部位由于重力作用產(chǎn)生一定程度的下垂，從形狀和外觀上看，片材應具有碗狀結(jié)構(gòu)的完美曲線，而且整個成型機的能量損耗和成品的生產(chǎn)時間很大程度上也取決于加熱部分的處理。可以這么說，加熱部分是真空成型機的核心所在，是成型機工藝中最為關(guān)鍵的一環(huán)，它直接體現(xiàn)出了一臺成型機的控制水平。同樣，我們在對這臺型號比較老的成型機進行改造時，對加熱部分的溫度控制也是一個不容回避的問題。

　　2.2.1 原系統(tǒng)的溫度控制

　　1. 原系統(tǒng)溫度控制原理

　　原系統(tǒng)也通過控制加熱瓦在每個控制周期(T)的通電時間來控制每一塊加熱瓦的發(fā)熱功率，從而達到控制整個加熱器溫度的目的。它設定了加熱器在加熱狀態(tài)下總的百分比(α)和保溫狀態(tài)下(β)總的百分比(α>β)，除此以外，還設定了每個加熱瓦的加熱系數(shù)(δ)，以達到將片材不同部位控制在不同溫度的要求。系統(tǒng)實時檢測片材的溫度，當片材溫度小于設定值時，加熱器處于加熱狀態(tài)，此時每個加熱瓦的通電時間t = T·α·δ，此時，由于α較大，使得加熱瓦通電時間較長，片材溫度上升快;當片材溫度到達設定值后，加熱器進入保溫狀態(tài)，此時，每個加熱瓦的通電時間t = T·β·δ，此時，由于β較小，使加熱瓦通電時間相對變少，加熱器的熱量僅夠短時間內(nèi)保持片材溫度，而不能再繼續(xù)加熱，待成型部位動作完成后，停止加熱，進行下一工序。

　　加熱百分比α和保溫百分比β是對加熱器所有加熱瓦來說的，當它們在做出調(diào)整后，所有加熱瓦的通電時間都會相應地做出調(diào)整，我們可以將這兩個參數(shù)認為是加熱器溫度調(diào)整的粗調(diào);而每個加熱瓦的百分比δ的變化會導致各個加熱瓦之間通電時間長短的不同，進而使片材各部分達到不同的加熱程度，我們可以把參數(shù)δ認為是對加熱器溫度的細調(diào)。

　　2. 原系統(tǒng)溫度控制的不足

　　系統(tǒng)中存在兩個被控對象：加熱器和片材，系統(tǒng)的反饋回路只對片材的溫度進行了反饋。當回路的前向通道上有干擾串入時，如加熱器電網(wǎng)電壓波動，加熱器加熱瓦電阻絲缺損等，根據(jù)抑制定理，雖然閉環(huán)系統(tǒng)對這些干擾有抑制能力，但這種抑制作用必須要等待干擾最終作用在了片材上后才能體現(xiàn)出來，時間滯后較大，這就造成了片材溫度的誤差或波動，從而不能達到理想的控制效果。此外，在系統(tǒng)實際運行中，控制周期(2s)是不可調(diào)的，控制略顯粗糙，而且由于繼電器的繼電器特性，加熱瓦對片材的加熱并不是連續(xù)進行的，這就造成了片材溫度圍繞設定值的上下波動，雖然這種波動是不可避免的，但我們可以通過采取一些措施來盡量減小這種波動，使得片材在達到設定值后的溫度響應曲線近似是一條直線。

　　2.2.2 改造后系統(tǒng)的溫度控制

　　經(jīng)過上節(jié)我們的分析可以看出，原控制系統(tǒng)在加熱部分的溫度控制上，還存在一些不足，這些不足包括功能上的，也包括系統(tǒng)穩(wěn)定性上的等等，這就為我們新系統(tǒng)的設計提出了問題，實際上，我們新系統(tǒng)重點要做的就是針對這些問題，提出一套可行的解決方案。下面我將介紹一下我們改造后的系統(tǒng)對加熱部分片材溫度的控制情況。