立式注塑机料筒变功率加热装置设计

发布日期：2014/9/5 12:59:45

0    引言
        目前,料筒加热器电源的通/断都采用继电器、接触器实行全通或全断的控制方式,该控制方式容易使温度过冲,难以保证温度控制精度。同时,继电器与接触器启/停频繁,容易产生打火、拉弧等现象,缩短了控制装置的使用寿命,影响温控精度。为解决上述问题,目前加热领域引入了变功率加热方法,主要有:①电阻切换法,但该方法只能实现有级功率调节,在实际控制中只能将温度控制在±5℃的精度范围内,难于满足温控精度要求较高的立式注塑机;②PWM平均功率法,但该方法只能改变在某一时间段内的平均加热功率,在导通的时候只能实现全压加热,容易使温度过冲,且在一个正弦周期内通/断频繁,易产生高频电磁污染。
        基于此,本研究采用可控硅功率调整法设计针对立式注塑机料筒的数字式变功率加热装置。
1    料筒变功率加热装置的工作原理
        该加热装置具有通过工控机控制算法自动调节加热器加热功率的功能,由温度传感器、数据采集卡、工控机、电阻加热器以及相关硬件电路组成。
        该装置采用4个热电偶KX(WRK7-202型,测量范围0~400℃),分别检测固体输送段、熔融加热段、保温段和挤出段的温度,并利用PCI7483板卡把温度数据传送到工控机。工控机通过立式注塑机料筒温度模糊PID控制算法得出下一时刻各段料筒加热器的加热功率。
        当某段温度加热到接近设定温度后,在算法控制下减小该段料筒加热器的加热功率,直到检测温度与设定温度相等,停止加热,温度开始下降。当温度下降到一定值后,由热电偶反馈料筒检测温度,与设定温度比较后,由算法控制各组加热器进行小功率加热,使温度上升。不断重复上述过程,使温度在较小范围内波动。这样通过该数字式变功率加热装置就能有效地减少温度的过冲,减小能耗,从而提高温控精度。
2    硬件电路模块化单元设计
        该加热装置硬件电路包括过零检测电路模块和可控硅驱动电路模块。过零检测电路用于检测交流电源电压过零点,可控硅驱动电路用于触发可控硅导通。2.1    过零检测电路
        过零检测电路,由三抽头同步变压器TRA,二极管半桥整流D1、D2,运算放大器AR1,三极管T等组成。当二极管半桥整流输出端为零时(即交流电源的电压过零点),运算放大器两输入端都为零,运算放大器输出为零,三极管T截止,信号输出端输出为5V,否则为0V。这样就获取了交流电源的电压过零点。
        在获取交流电源电压的过零点后,可根据加热器的功率要求,由模糊PID算法得出双向可控硅的导通角,即确定双向可控硅在过零点后的时刻导通。
2.2    可控硅驱动电路
        针对立式注塑机需要控制多组加热器问题,本研究采用模块化单元设计方法,根据立式注塑机料筒加热器组数提供多组模块化设计单元,以下是单模块的设计方法。
        可控硅驱动电路主要由以下几部分组成:
        (1)整流滤波部分:由TRA(L2)、全桥整流电桥BRIDGE1、有极电容C1组成,将220V交流电变为9V直流电。
        (2)可控硅驱动部分:由光电耦合器U1、三极管T1、有极电容C1和电阻R3等组成。当确定可控硅的导通角后,就在导通时刻在信号输入端输入一个低电平,光电耦合器U1导通,经三极管T1放大,R4、T1、C1和可控硅KS门极组成的回路导通,它的电流可触发可控硅KS导通,直到交流电源电压下一个过零点时KS截止。重新计时,到达导通点时由驱动电路触发可控硅KS导通,如此反复。可控硅每秒可以动作上千次,通过可控硅的导通角与加热功率的关系,就实现了数字式变功率加热。图3中的发光二极管D1是提示该段料筒加热元件是否处于加热状态,在双向可控硅两端并联滤波电路R6、C2,可以有效地消除因电流变化率过大而产生的高频电磁污染。
        此外,立式注塑机各段料筒之间温度相互耦合作用较强,尤其是相邻段之间,单段温度控制不能保证料筒整体的温度控制精度。为此,本研究采用多个并行可控硅驱动单元模块分别控制立式注塑机各段料筒加热器的加热功率,并由工控机的立式注塑机料筒温度模糊PID控制算法得出下一时刻各段料筒加热器的加热功率,这样就将复杂的多输入/多输出系统分解成多个独立的单回路控制系统,实现对立式注塑机料筒固体输送段、熔融加热段、保温段和挤出段各段独立的数字式变功率加热。该加热装置不但提高了温度控制系统的温控精度,而且减小了控制系统实施多变量控制的复杂度,提高了控制器的实时性。
3    工控机高速数据采集与软件实现
        在多种可视化编程语言中,MicrosoftVisualBasic6.0具有界面设计功能强、编程简单等特点,在测控系统的数据采集和处理中应用比较广泛,但是在对立式注塑机料筒多路温度数据采集、数据计算分析、控制信号输出等进行实时处理时,往往会出现执行操作界面的命令时反应变慢,操作不便,实时监控数据时引发了程序阻塞。导致此问题的原因是仅通过一个任务体系解决立式注塑机多段大数据量的实时传输与处理。为此,本研究采用多线程模型,利用多个线程分别完成各项控制和计算任务,笔者共使用了6个线程:①主线程,负责管理通常的前台界面处理,接收和处理来自工控机界面的按钮信号;②电压过零点检测线程,负责获取电源电压的过零点时刻;③4个数据处理和功率调整线程,负责根据料筒实际温度与设定温度,结合电压过零点检测线程获取的过零点时刻,控制低电平输出,驱动可控硅导通,从而调整加热器的加热功率。
3.1    主线程的设计
        当一个应用程序启动时,系统自动为该应用程序的进程生成一个线程,该线程为主线程,然后由主线程生成其他线程,各线程相对于主线程独立运行。主线程的主要任务是创建窗口,管理主界面上键盘和鼠标的输入,并创建工作子线程,控制子线程的存活。
3.2    电压过零点检测线程
        电压过零点检测线程的任务是由工控机通过PCI7483板卡检测图2中信号输出端电压的跳变。该线程每0.1ms采集一次电压数据并保存,并与上一次比较,若比上次小或相等,则在该0.1ms内没有电压过零点,程序跳到开始处进行循环检测,若检测到的电压数据大于上次,则可判断电压在该0.1ms内有过零点,标志位置为True,其程序框图如图5所示。
3.3    数据处理和功率调整线程
        数据处理和功率调整线程的作用是工控机根据设定温度与检测温度,通过立式注塑机料筒温度模糊PID控制算法得出下一时刻各段料筒加热器的加热功率。当电压过零点检测线程的标志位为True时,即获取交流电源电压的过零点时刻,程序开始计时,当达到可控硅的导通时刻,由该线程通过数据采集卡的D/A在图3的信号输入端输入一个低电平,双向可控硅导通,加热器开始加热,直到下次过零点可控硅截止。
4    结束语
        本研究介绍了立式注塑机料筒的数字式变功率加热装置的设计方法。它以工控机作为控制核心,完成控制算法、界面管理的功能,通过PCI7483数据采集卡和硬件电路完成温度的采集和控制。与传统的加热方式相比,该方法可根据各段料筒设定温度与检测温度的差值,由算法控制调整可控硅导通角的大小,从而调整各组加热器的加热功率,实现无级变功率加热,对减少料筒温度的过冲与提高料筒的温控精度具有一定的借鉴意义。

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