Φ300 mm×1 600 mm水處理膜殼固化裝置的設(shè)計

(武漢大學，湖北 武 漢 430070)

固化爐廣泛用于玻璃鋼成型工藝中，其加熱固化是玻璃鋼成型的重要工序。在玻璃纖維增強熱固性塑料的固化過程中，需要外供熱量，因為隨著聚合反應(yīng)的進行，位阻效應(yīng)和活化能增高，不加熱則不能使聚合反應(yīng)進行完全，產(chǎn)品性能就達不到使用要求。此外，也為了加快反應(yīng)速度，提高生產(chǎn)效率。

當前，國內(nèi)玻璃鋼制品的生產(chǎn)廠家有很多，但是大多數(shù)固化爐的結(jié)構(gòu)都過于簡陋。與普通工業(yè)加熱爐不同的是，它有許多特殊要求。但在產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，并未嚴格按照產(chǎn)品的基本體系與結(jié)構(gòu)尺寸的不同，來選取合適的固化爐，往往是混亂使用。因此，要解決這個問題，除了遵循使用要求和改進原有固化爐外，還得根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)需要和實際情況，來設(shè)計適當?shù)墓袒癄t。以新型固化爐設(shè)備的研制，取代過去老式設(shè)備，雖然說這種設(shè)備的研制使用還只是剛剛起步，但相關(guān)行業(yè)的飛速發(fā)展，必將促使其得到更廣泛的推廣應(yīng)用。

1 固化爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 爐型的選擇

此次設(shè)計中，工件的尺寸為Φ 300 mm×1 600 mm，布置方式為雙工位。立爐最大尺寸一般為1 500 mm，較適合于連續(xù)玻璃布的生產(chǎn)。而臥式爐則沒有這方面的限制。所以設(shè)計爐體采用臥式爐。其具體結(jié)構(gòu)如圖1和圖2。

圖1 固化爐主視圖

圖2 固化爐俯視圖

1.2 爐體各部結(jié)構(gòu)

爐體主體采用方型框架整體結(jié)構(gòu)，爐壁為雙層金屬夾層，內(nèi)壁設(shè)有不銹鋼屏，外部鋪設(shè)碳鋼鋼板，框架是槽鋼，起支承和維護作用；中間是保溫層，用硅藻土，也可填充其他輕質(zhì)保溫材料，如石棉質(zhì)、礦渣棉等材料；內(nèi)層是耐火層，所用材料是粘土耐火磚或高鋁磚；兩側(cè)垂直布置多排導(dǎo)風板。

加熱器采用電阻加熱，均勻地放置于爐壁夾層之間，爐內(nèi)部裝有控溫熱電偶裝置，爐頂采用平頂結(jié)構(gòu)，并設(shè)計有特殊的曲面風道，爐門厚度一般比爐墻保溫層薄，設(shè)有觀察裝置，門開關(guān)處均有膠條密封，爐上設(shè)有熱風循環(huán)系統(tǒng)。爐底用硅藻土磚砌成，再在其上鋪一層普通紅磚，爐底厚度一般為25～50 mm。爐架由側(cè)立柱、端立柱、橫向拉桿、縱向拉桿等組成，用以承受爐體溫度應(yīng)力、拱頂產(chǎn)生的水平推力，以及可能作用在爐體上的各種外力。同時也用于安裝各種輔助機構(gòu)。

1.3 技術(shù)特點

針對大容積箱式固化爐熱循環(huán)及溫度控制的特殊要求，我們做了以下設(shè)計：

（1）固化爐截面溫差的大小，是衡量其品質(zhì)的重要參數(shù)，容積越大，溫差越大。為減少截面溫差，我們采用雙循環(huán)風道系統(tǒng)，該系統(tǒng)加熱元件為對稱布置，這樣可使發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量被充分置換后，進人爐腔內(nèi)循環(huán)，且循環(huán)路線短，溫差小。在結(jié)構(gòu)方面，爐頂設(shè)計有特殊的曲面風道，爐體兩側(cè)垂直布置多排導(dǎo)風板，以使爐腔（特別是死角處）各點獲得均勻的循環(huán)風，最大限度地減小了爐內(nèi)溫差。

（2）作為易損件的循環(huán)風系統(tǒng)和加熱元件，設(shè)計做了特殊處理，將風葉以及軸、支承、鏈輪、隔熱層等，制作成一體的標準模塊，這樣可迅速地進行模塊更換；使用帶有特殊結(jié)構(gòu)的加熱元件，就能夠方便快捷地從爐頂抽出，從而實現(xiàn)了不停爐的動態(tài)維修，使爐內(nèi)溫度基本恒定。

（3）采用新型專用電路組成的多功能智能儀表，具有理想的控制特性。采用FUZZY-PID算法對電爐實現(xiàn)溫度控制，具有抗積分飽和功能及反作用選擇，并且根據(jù)需要還可加入多種功能。儀表配有標準的RS-232或RS-422串行通信接口，可與上位機（PLC或PC）聯(lián)機，形成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)或分散控制系統(tǒng)。

2 電機速度的控制

2.1 電磁調(diào)速控制器原理

本設(shè)計固化爐內(nèi)的電機采用一種可實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩無級調(diào)速的電磁調(diào)速電機。選用YCTD112－4A型電磁調(diào)速三相異步電機：

額定功率P＝1.1 kW；

額定轉(zhuǎn)矩T＝7.1 N·m；

額定調(diào)速范圍100～1 250 r/min；

要求工件轉(zhuǎn)動在5～20 r/min可調(diào)。

采用數(shù)字控制，利用一套由交流三項異步電機、滑差離合器、測速發(fā)電機和電子控制器等部分構(gòu)成的交流調(diào)速驅(qū)動裝置，能在比較寬廣的范圍內(nèi)，實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速。

電機采用單片機的電磁調(diào)速電機控制器。本設(shè)計使用的電磁調(diào)速控制器，采用數(shù)字控制技術(shù)，它由單片機、轉(zhuǎn)速表數(shù)碼管顯示器、轉(zhuǎn)速預(yù)置按鍵、移相觸發(fā)器和可控硅整流電路組成，原理框圖如圖3。

圖3 電磁調(diào)速電機控制器原理框圖

2.2 控制方法的主要優(yōu)點

采用這種電機控制方法，主要優(yōu)點有：

（1）以單片機為整個控制器的核心，轉(zhuǎn)速表受單片機控制，能真實準確地測出電磁調(diào)速電機輸出的轉(zhuǎn)速；

（2）轉(zhuǎn)速表和電磁調(diào)速電機的測速發(fā)電機相連接，靠計算測速發(fā)電機輸出的脈沖數(shù)來實現(xiàn)測速；數(shù)碼管顯示器由兩排數(shù)碼管組成，每排包括4個數(shù)碼管?？娠@示4位數(shù)字，對應(yīng)轉(zhuǎn)速值是從1～9 999 r/min，一排數(shù)碼管用來顯示預(yù)置的轉(zhuǎn)速，另一排顯示電機輸出的真實轉(zhuǎn)速；

（3）轉(zhuǎn)速預(yù)置按鍵在預(yù)置轉(zhuǎn)速的同時，可以一邊按輕觸鍵一邊觀看數(shù)碼管顯示器的數(shù)值，當數(shù)碼管顯示的數(shù)值和所需要預(yù)置的數(shù)值一樣時，說明達到設(shè)定值，準確方便；

（4）軟啟動裝置在每次電機重新啟動時，預(yù)置數(shù)都自動回零，不用人工手調(diào)，待一段延時主電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，才可以允許預(yù)置工作，很方便地保護了電機。

3 溫度的控制

3.1 電爐溫度控制系統(tǒng)

在固化爐工藝參數(shù)中，溫度具有決定性的影響，溫度控制精度直接影響著產(chǎn)品品質(zhì)，要防止由于溫度不勻而使產(chǎn)品表面出現(xiàn)“花斑”，或由于表面已干而內(nèi)部未干透出現(xiàn)“硬殼”現(xiàn)象。本設(shè)計中要求固化溫度在25～300℃可調(diào)，采用FUZZY-PID算法對電爐實現(xiàn)溫度控制。

該系統(tǒng)是由8051單片機、溫度檢測放大電路、鍵盤/顯示器、掉電檢測與保護、雙向晶閘管過零檢測與觸發(fā)、聲光報警與自動/手動等電路組成，溫度全量程0～1 600℃，分辨率為0.1℃（見圖4）。

圖4 電爐溫度控制系統(tǒng)主程序框圖

該系統(tǒng)主要由晶閘管過零檢測與觸發(fā)電路，溫度檢測電路，鍵盤/顯示器電路三大電路組成。控制系統(tǒng)電路采用單片機8051為核心構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。單片機的FUZZY-PID控制算法，對檢測到電爐的溫度參數(shù)進行處理，直接輸出PWM控制信號，經(jīng)功率驅(qū)動控制電爐的電壓。爐溫經(jīng)傳感器檢測放大后，信號進人8051單片機的輸入端，形成閉環(huán)控制。

該系統(tǒng)的軟件主要由監(jiān)控程序、PWM控制程序、閉環(huán)溫度FUZZY控制程序、增量PID控制程序及溫度采樣程序等組成，其主程序框圖如圖4所示。其子程序有：

（1）監(jiān)控程序。監(jiān)控程序由鍵盤管理程序、溫度顯示程序、系統(tǒng)自檢程序等組成。

（2）閉環(huán)溫度控制程序。由求偏e(n)和偏差變化率ec(n)、數(shù)據(jù)量化算法、FUZZY-PID控制算法、溫度控制曲線組成。

（3）溫度采樣程序。實驗電阻爐經(jīng)傳感器熱電偶檢測的溫度信號經(jīng)運算放大器，然后通過A/D轉(zhuǎn)換送人8031單片機的輸入端。

3.2 系統(tǒng)防干擾措施

本系統(tǒng)采用模板式結(jié)構(gòu)，從軟硬件兩個方面增加了一些防干擾措施。

（1）采用三級穩(wěn)壓及電源干擾抑制器；

（2）主機板單獨供電；

（3）I/O通道均采用光電隔離；

（4）軟件采用防尖峰數(shù)值濾波。

3.3 控制方案的主要優(yōu)點

此溫度控制方案的主要優(yōu)點有：實現(xiàn)了雙向晶閘管的過零觸發(fā)，克服了常規(guī)方法補償誤差大和補方便的缺點，以及采用了抗干擾措施提高了系統(tǒng)的可靠性等，提高了整個水處理膜殼固化裝置的工作效率，并為其正常工作提供了有力的保證。

4 結(jié)束語

我國大部分固化處理設(shè)備的應(yīng)用效果，還不夠理想，關(guān)鍵還是在于必須注重更新先進的生產(chǎn)設(shè)備，以新型固化爐設(shè)備的研制，取代過去老式設(shè)備。本設(shè)計就是這方面的一種嘗試，它采用多種現(xiàn)代設(shè)計方法和先進控制技術(shù)，實現(xiàn)了固化爐性能的提升，提高了效率、精度和可靠性，這種研制使用還只是剛剛起步，但相關(guān)行業(yè)的飛速發(fā)展必將促使其得到更廣泛的推廣應(yīng)用。

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