真空成型機中的溫度控制系統設計

　　真空成型機是利用熱成型工藝制造冰箱內膽的大型塑料加工機械，是冰箱制造企業的主力設備之一。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濟的飛速的發展做出了很大的貢獻。但隨著我國經濟水平的提高和經濟結構的調整，越來越多的人開始意識到發展我國機械制造業的重要性。

　　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，出于成本節約或者能耗評估的需要，我們也要對加熱部分系統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容之一。下面將具體介紹一下片材的溫度控制在本系統中的應用。

　　2.1 加熱器及SSR驅動

　　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，遠沒有電熱系統控制精確，而且燃燒還會產生二氧化碳，設備需要適當的通風、廢氣排除和排放系統，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，使得電加熱技術成為熱成型過程使用最多且最適宜的技術。

　　輻射加熱是用加熱器產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)產生輝光紅熱，并產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節，直接關系到內膽成型質量的好壞。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系統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，將片材的不同區域控制在不同溫度的目的。在本系統中，加熱部分每一塊加熱瓦由一個固態繼電器(SSR型號：OMRON，G3PA-220B)來驅動，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脈寬調制)來調節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模數量SSR的控制，而且能產生很不錯的生產效果。

　　2.2 溫度控制原理

　　根據我們的研究，真空成型機最終成品的生產質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生一定程度的下垂，從形狀和外觀上看，片材應具有碗狀結構的完美曲線，而且整個成型機的能量損耗和成品的生產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鍵的一環，它直接體現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 原系統的溫度控制

　　1. 原系統溫度控制原理

　　原系統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下總的百分比(α)和保溫狀態下(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(δ)，以達到將片材不同部位控制在不同溫度的要求。系統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，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，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保持片材溫度，而不能再繼續加熱，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，當它們在做出調整后，所有加熱瓦的通電時間都會相應地做出調整，我們可以將這兩個參數認為是加熱器溫度調整的粗調;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δ認為是對加熱器溫度的細調。

　　2. 原系統溫度控制的不足

　　系統中存在兩個被控對象：加熱器和片材，系統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，如加熱器電網電壓波動，加熱器加熱瓦電阻絲缺損等，根據抑制定理，雖然閉環系統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，在系統實際運行中，控制周期(2s)是不可調的，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 改造后系統的溫度控制

　　經過上節我們的分析可以看出，原控制系統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，也包括系統穩定性上的等等，這就為我們新系統的設計提出了問題，實際上，我們新系統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對加熱部分片材溫度的控制情況。