PET吹瓶機加熱功率控制系統(tǒng)設計

中南林業(yè)科技大學計算機與信息工程學院 馮 旭 王湘中 張永忠 袁洋波

1.引言

PET（Polythyleneterephthalate，俗稱滌綸樹脂）吹瓶機是將聚酯材料的瓶坯通過一定的工藝手段吹制成瓶子的機器，用以吹制礦泉水瓶、各種碳酸飲料瓶以及多種瓶裝的塑料中空容器。PET吹瓶機一般由供坯系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、吹氣系統(tǒng)及其它輔助系統(tǒng)組成。在坯料進入模具開始拉伸前，其加熱溫度對坯料的成型起著至關重要的作用，為了防止瓶身出現(xiàn)發(fā)白、不透明、不均勻等現(xiàn)象，使產品各個位置的厚度達到技術要求，溫度一般在80℃到120℃之間進行精確控制。

目前PET吹瓶機的加熱控制方式主要是交流調壓和交流調功來實現(xiàn)輸出加熱功率。交流調壓在每半個周波對晶閘管開通相位進行控制，實現(xiàn)輸出電壓有效值的調節(jié)。交流調功以交流電的周期為基本單位，通過對晶閘管的控制來改變晶閘管通斷周期數(shù)的比，可方便調節(jié)輸出功率的平均值。文獻[1]提出了電路拓撲結構的優(yōu)化方案，文獻[2]比較了調相觸發(fā)與過零周期波觸發(fā)的優(yōu)缺點，指出調相觸發(fā)很難實現(xiàn)線性調功。人們用模糊PID控制[3]、內?？刂芠4]、隨機自適應預測控制[5]、變系數(shù)PID調節(jié)[6]等技術對PET吹瓶機溫度控制進行了理論研究、仿真與應用。但在實際中由于這些控制方法計算量大，在線計算較難，且外界影響因素較為復雜，難以滿足實際工藝要求。

本文針對PET吹瓶機加熱系統(tǒng)的特點，立足于產品的具體應用，以簡單實用為設計原則，選用LPC2292作為核心控制器，使用相位觸發(fā)調功和電壓補償對加熱功率進行控制，實現(xiàn)了加熱過程中穩(wěn)定準確調節(jié)輸出功率。

2.加熱功率控制原理

2.1 PET吹瓶機系統(tǒng)結構

根據PET吹瓶機加熱系統(tǒng)的要求，確定加熱系統(tǒng)結構如圖1所示。上位機通過Profibus總線與14臺調功器通信，每臺調功器由10路紅外燈管組成加熱器，上位機控制各調功器中燈管的輸出加熱功率。上位機可以設定調功器的輸出功率值、控制方式、總線開關、傳感器等參數(shù)，同時監(jiān)控調功器的輸出功率、母線電流電壓、過流過壓、燈管異常、超溫報警等信息。

2.2 相位觸發(fā)調功原理

在系統(tǒng)設計的初始分析階段，在理論上比較分析了交流調功與交流調壓方案，現(xiàn)場運行顯示交流調功方式存在紅外線燈管閃爍現(xiàn)象，這個會影響溫度的穩(wěn)定性，而交流調壓就不存在這樣的問題，故依據產品需要，選擇了交流調壓來實現(xiàn)加熱功率的線性跟蹤輸出，同時，根據功率量化和電壓量化的實驗結果，選擇了效果較好的電壓量化。

如圖2所示為可控硅控制電路原理圖，電路通過調節(jié)一對反向并聯(lián)的單向可控硅VT1、VT2的觸發(fā)角α控制燈絲的發(fā)熱功率，輸入電壓為UAB。如圖3為觸發(fā)角α時UAB波形圖，設輸入電壓有效值為UAB。

設觸發(fā)為α，燈管負載的有效電壓為U0，電流有效值為I0，由圖3所示波形可得：

由（1）、（2）式得輸出功率P0為：

實際控制時，加熱功率P0為輸出量，可以根據輸入UAB和α來確定。由式（3）可知，由于其加熱功率輸出為一超越方程，難以得到解析解，即使得到解析解，但由于外部電壓是變化的，會導致所建立的數(shù)組異常龐大，這是移相觸發(fā)調節(jié)很難實現(xiàn)的原因之一，為了得到精確的觸發(fā)角，考慮到UAB和α對輸出功率P0的影響，其算法設計分兩步來實現(xiàn)，首先設定在輸出功率PS，輸入電壓US的條件下，依照公式（4）精確量化計算出對應1000個輸出觸發(fā)角，將觸發(fā)相位角存放在數(shù)組S[]中，觸發(fā)角量化模型如圖4所示，然后檢測實際輸入電壓的大小，與設定電壓US比較，建立觸發(fā)角補償機制，從而得到實際的輸出功率觸發(fā)角。

本系統(tǒng)將交流電壓在半周期內嚴格量化成1000個點，平均量化精度可達到1μs，完全可以滿足設計要求，設觸發(fā)時間為ti，單位為μs，當ti從1000μs逐漸減少到0時，觸發(fā)角慢慢變小，相應的輸出功率變大，當觸發(fā)時間點量化計算滿足關系式（4）時，保存相應的觸發(fā)值。

圖1 加熱系統(tǒng)結構圖

圖2 可控硅控制電路簡圖

圖3 觸發(fā)角α時UAB波形圖

圖4 觸發(fā)角量化模型

當輸入的實際電壓為Ur時，相應的輸出功率為Pr，則Pr、Ur、α三者的關系如公式（5）所示，

從公式（5）可知，當外部電壓變化時，實際輸出功率就會偏離設定電壓US下的輸出功率PS。

設Kc為電壓相位補償系數(shù)，其表達式為公式（6）所示：

將上位機設定輸出的功率轉換成對應的電壓相位觸發(fā)時間序列值時，在外部輸入電壓降低或升高時，可以啟動電壓相位補償功能，使Kc能對導通時間進行相應的調整，保證輸出功率的線性跟蹤特性。

圖5 硬件結構簡圖

圖6 主程序結構流程圖

圖7 實際輸出功率與理論輸出功率圖

綜上所述，即建立如下關系：

通過上面的關系即可實現(xiàn)加熱功率的線性跟蹤輸出。

3.控制系統(tǒng)硬件設計

硬件部分核心控制器采用NXP公司的以ARM7TDMI-S為內核的32位微處理器LPC2292作為核心控制器，其功耗極低，性價比很高。

該系統(tǒng)的硬件結構簡圖如圖5所示，其中檢測電路包括電流檢測電路、溫度檢測電路、電壓檢測電路、過零檢測電路、燈管狀態(tài)檢測電路，驅動電路由LPC2292發(fā)出控制脈沖，通過光耦，觸發(fā)可控硅的導通，實現(xiàn)功率的線性輸出。E2PROM選用AT24C02，將LPC2292作為主機，AT24C02作為從機，選用I2C總線方式設定傳感器的參數(shù)。

4.控制系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的程序包括上位機程序和下位機程序，上位機程序主要完成設定各個燈管的功率值、控制方式、各種狀態(tài)顯示等，下位機的主程序結構流程如圖6所示。

5.實驗測量數(shù)據比較

產品所選紅外線加熱燈管為400V、2kw，在10路紅外線燈管中，選擇其中一路燈管，使其輸出功率從1%增加到100%，每次增加1%，啟動電壓相位補償設置，使用遠方智能電量測試儀PF9811，對其輸出功率進行測量，得到實際輸出功率值，計算理論輸出功率值，將兩者進行比較，實際輸出功率和理論輸出功率關系如圖7所示。

圖7中實線為PF9811所測實際輸出功率，虛線為理論計算輸出功率值，在所測的功率值當中，在理論輸出功率為500W時，實際輸出為530W，偏離設定值6%，此時對應的誤差最大。其它設定值誤差均小于6%。

6.結論

經過實驗數(shù)據分析可知，在功率調節(jié)的過程中，加熱功率對理論功率呈線性跟蹤輸出，從實踐中驗證了本文所采用的相位觸發(fā)調功和電壓相位補償?shù)姆椒ㄔ赑ET吹瓶機加熱功率控制系統(tǒng)中的有效性。

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