真空成型机中的温度控制系统设计

　　真空成型机是利用热成型工艺制造冰箱内胆的大型塑料加工机械，是冰箱制造企业的主力设备之一。由于长期以来，我国塑料加工机械的设计水平有限，不能在高端成型机领域满足国内市场的需要，这部分空缺主要由国外的品牌来填充。在过去的十几年间，我国从国外引进了大批技术上比较先进和成熟的成型机，这部分设备为我国过去十几年来经济的飞速的发展做出了很大的贡献。但随着我国经济水平的提高和经济结构的调整，越来越多的人开始意识到发展我国机械制造业的重要性。

　　真空成型机包括上料、预热、加热、成型，四个工位。其中，预热和加热工位属于成型机的加热部分，用来对热塑性塑料进行加热，使其软化到一定程度，是片材在成型过程中的一道重要工序。我们之所以说这道工序十分重要，一是因为片材的软化效果在很大程度上决定了片材最后的成型质量，如果在加热过程中，温度没有控制好，就会使得片材在成型时达不到预期的效果，导致废品，增加次品率;二是在热成型过程中，加热阶段的能量消耗高达总能量需求的80%，能源成本高，出于成本节约或者能耗评估的需要，我们也要对加热部分系统的工作过程有一个清楚的认识;三是将片材加热到成型温度所需的时间，一般约为整个成型工作周期的50%-80%，如何缩短加热时间有其重要的意义。

　　第二章 温度控制系统设计

　　在片材的整个成型过程中，加热部分对片材温度的控制是一个十分重要的工序，也是我们的重点要研究的内容之一。下面将具体介绍一下片材的温度控制在本系统中的应用。

　　2.1 加热器及SSR驱动

　　片材的加热方法并没有严格的限制，可以是热板的传导;也可以是红外线的辐射。供给热板热量的方法有油、煤气、电、过热水、蒸汽等多种。当使用煤气或油作热能源时，煤气通常以可控方式燃烧，和电力成本对比，用煤气作为热源比较低廉，但是温度控制很困难，远没有电热系统控制精确，而且燃烧还会产生二氧化碳，设备需要适当的通风、废气排除和排放系统，在用过热水和蒸汽作热源时，也存在类似的问题;电力是最广泛使用的加热能源，虽然电力比较昂贵，但是电力比较容易取得，且控制性能很强，使得电加热技术成为热成型过程使用最多且最适宜的技术。

　　辐射加热是用加热器产生的辐射热来加热材料的，其辐射能来自光谱的红外线段电磁波，由于塑料材料对一些远红外线波长的波有强烈的吸收作用，加热效率高，而且可控性好，所以现代化成型机大都采用远红外加热装置。如图1所示，为浅野四工位真空成型机加热器所用的快速金属加热瓦，它采用AC27V电压供电，当通电时，高电阻金属丝(镍-铬合金丝)产生辉光红热，并产生辐射能对片材进行加热，断电后，冷却速度也快，热惯性小，使用寿命长。加热瓦加热的片材厚度最大4. 0mm，为增进加热效率，提高生产效率，在对片材加热时，采用了两面加热的方法，也就是在片材上下各用一套加热器。在两面加热时，因为热空气是向上升的，还可防止片材在加热时过分下垂(片材过分下垂接触加热器会引起火灾)。

　　对片材进行加热，是真空成型工艺中十分重要的环节，直接关系到内胆成型质量的好坏。由于片材各部分的加热程度要求各异.因此对加热温度的控制比较复杂和特殊，这就要求我们能根据系统要求实时控制加热器的功率大小，以达到在对片材进行加热时，将片材的不同区域控制在不同温度的目的。在本系统中，加热部分每一块加热瓦由一个固态继电器(SSR型号：OMRON，G3PA-220B)来驱动，通过控制SSR的通断来给加热瓦供电，通过控制SSR的通断时间比(也即PWM脉宽调制)来调节每一块加热瓦的功率，这种控制方式不会像可控硅相位控制那样产生谐波，不会造成对电源的污染，可以使加热器对温度的控制能够精确到每一块加热瓦上，特别适用于像这种具有较大规模数量SSR的控制，而且能产生很不错的生产效果。

　　2.2 温度控制原理

　　根据我们的研究，真空成型机最终成品的生产质量主要取决于两个方面，一是加热部分对片材的温度控制;二是在成型工位对片材的成型处理。其中，尤以对片材的温度控制难点最大，这是因为片材在最后成型时，对片材各部分区域的温度和拉伸要求是不一样的，待加热完成后，片材中间部位由于重力作用产生一定程度的下垂，从形状和外观上看，片材应具有碗状结构的完美曲线，而且整个成型机的能量损耗和成品的生产时间很大程度上也取决于加热部分的处理。可以这么说，加热部分是真空成型机的核心所在，是成型机工艺中最为关键的一环，它直接体现出了一台成型机的控制水平。同样，我们在对这台型号比较老的成型机进行改造时，对加热部分的温度控制也是一个不容回避的问题。

　　2.2.1 原系统的温度控制

　　1. 原系统温度控制原理

　　原系统也通过控制加热瓦在每个控制周期(T)的通电时间来控制每一块加热瓦的发热功率，从而达到控制整个加热器温度的目的。它设定了加热器在加热状态下总的百分比(α)和保温状态下(β)总的百分比(α>β)，除此以外，还设定了每个加热瓦的加热系数(δ)，以达到将片材不同部位控制在不同温度的要求。系统实时检测片材的温度，当片材温度小于设定值时，加热器处于加热状态，此时每个加热瓦的通电时间t = T·α·δ，此时，由于α较大，使得加热瓦通电时间较长，片材温度上升快;当片材温度到达设定值后，加热器进入保温状态，此时，每个加热瓦的通电时间t = T·β·δ，此时，由于β较小，使加热瓦通电时间相对变少，加热器的热量仅够短时间内保持片材温度，而不能再继续加热，待成型部位动作完成后，停止加热，进行下一工序。

　　加热百分比α和保温百分比β是对加热器所有加热瓦来说的，当它们在做出调整后，所有加热瓦的通电时间都会相应地做出调整，我们可以将这两个参数认为是加热器温度调整的粗调;而每个加热瓦的百分比δ的变化会导致各个加热瓦之间通电时间长短的不同，进而使片材各部分达到不同的加热程度，我们可以把参数δ认为是对加热器温度的细调。

　　2. 原系统温度控制的不足

　　系统中存在两个被控对象：加热器和片材，系统的反馈回路只对片材的温度进行了反馈。当回路的前向通道上有干扰串入时，如加热器电网电压波动，加热器加热瓦电阻丝缺损等，根据抑制定理，虽然闭环系统对这些干扰有抑制能力，但这种抑制作用必须要等待干扰最终作用在了片材上后才能体现出来，时间滞后较大，这就造成了片材温度的误差或波动，从而不能达到理想的控制效果。此外，在系统实际运行中，控制周期(2s)是不可调的，控制略显粗糙，而且由于继电器的继电器特性，加热瓦对片材的加热并不是连续进行的，这就造成了片材温度围绕设定值的上下波动，虽然这种波动是不可避免的，但我们可以通过采取一些措施来尽量减小这种波动，使得片材在达到设定值后的温度响应曲线近似是一条直线。

　　2.2.2 改造后系统的温度控制

　　经过上节我们的分析可以看出，原控制系统在加热部分的温度控制上，还存在一些不足，这些不足包括功能上的，也包括系统稳定性上的等等，这就为我们新系统的设计提出了问题，实际上，我们新系统重点要做的就是针对这些问题，提出一套可行的解决方案。下面我将介绍一下我们改造后的系统对加热部分片材温度的控制情况。