智能化高效含浸機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

何海華，梁國(guó)衡

（肇慶信泰機(jī)電科技有限公司，廣東肇慶 526060）

智能化高效含浸機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

何海華，梁國(guó)衡

（肇慶信泰機(jī)電科技有限公司，廣東肇慶 526060）

采用閉環(huán)控制系統(tǒng)、PID控制算法、封閉式液體循環(huán)控制和多段速脫液系統(tǒng)等技術(shù)的結(jié)合，開發(fā)一種智能化高效含浸設(shè)備。系統(tǒng)通過對(duì)溫度、壓力、時(shí)間、速度等數(shù)據(jù)信息的采集，結(jié)合PLC的高速處理，完成對(duì)電解電容的鋁箔紙進(jìn)行注液、加熱、抽真空、加壓、浸液及脫液等流程控制，整個(gè)流程可循環(huán)，并且循環(huán)次數(shù)可設(shè)。

智能化；電解液；閉環(huán)控制；循環(huán)系統(tǒng)；PID控制算法

鋁電解電容廣泛用于電子通信，照明電路，汽車控制電路，電子鎮(zhèn)流器、電力電子電路、變頻驅(qū)動(dòng)器，焊接設(shè)備、開關(guān)電源，UPS電源及其它控制電路等。而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，社會(huì)需求的提高，環(huán)境的改善，新型整機(jī)的誕生，使鋁電解電容器的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，需求量越來越大。

由于鋁電解電容器的負(fù)電極是由浸過電解質(zhì)液（液態(tài)電解質(zhì)）的薄紙/薄膜或電解質(zhì)聚合物構(gòu)成，因此，智能化高效含浸機(jī)作為鋁電解電容器自動(dòng)化生產(chǎn)主要設(shè)備之一。其功能把電解液通過高壓滲入鋁箔紙，其優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)過程為全自動(dòng)監(jiān)控和控制，并能根據(jù)用戶的設(shè)定，進(jìn)行多次加壓的循環(huán)含浸，含浸完成后，自動(dòng)脫液和回收電解液。

由于電解液為易揮發(fā)液體，對(duì)環(huán)境有一定的污染和對(duì)人的皮膚有一定傷害，傳統(tǒng)的含浸多為人手操作（裝料、取料、加液等直接接觸到電解液的工序），使電解液滲透入鋁箔紙中。含浸后直接取出在空氣中自然晾干。這樣導(dǎo)致電解液長(zhǎng)期暴露在空氣中，對(duì)人體和環(huán)境造成傷害，并且浪費(fèi)大量的電解。

因此該設(shè)備的研發(fā)，主要針對(duì)上述的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了該智能化高效含浸機(jī)，通過PLC、觸摸屏、傳感器和控制器等，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)監(jiān)控和控制。該設(shè)備全面提升含浸質(zhì)量、提高含浸效率，還能減少對(duì)人體的傷害和環(huán)境的污染。該設(shè)備的研發(fā)對(duì)含浸流程具有重大意義。

本文主要論述了設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和實(shí)現(xiàn)過程，并描述控制系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的組成和工作原理。設(shè)計(jì)的主要目的是設(shè)計(jì)出具有自動(dòng)監(jiān)控和操作、封閉式液體循環(huán)、保溫、自動(dòng)脫液以及能循環(huán)加壓控制系統(tǒng)。

1 智能化控制流程圖

圖1為該設(shè)備的主要流程圖，從圖中可以看出，設(shè)備操作人員只需在開始對(duì)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)調(diào)用（預(yù)先設(shè)定），點(diǎn)擊運(yùn)行，系統(tǒng)便能根據(jù)設(shè)定的參數(shù)，完成整個(gè)含浸。

2 控制系統(tǒng)的組成

該設(shè)備的控制系統(tǒng),主要由5個(gè)子系統(tǒng)組成,如圖2所示。每個(gè)子系統(tǒng)均為獨(dú)立的閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過主系統(tǒng)的觸發(fā)，完成相應(yīng)的操作后，發(fā)送反饋信號(hào)給主系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)的反饋信號(hào)都包含有完成信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)、報(bào)警信號(hào)等。

圖1 智能化控制流程圖

圖2 系統(tǒng)組成圖

2.1 壓力控制系統(tǒng)

由于含浸前和入液后，含浸的缸體必須處在負(fù)壓狀態(tài)，而含浸過程必須處在高壓狀態(tài)，以達(dá)到電解液高效滲透入鋁箔紙中。因此壓力控制系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)監(jiān)控缸體壓力，并根據(jù)壓力傳感器的反饋信號(hào)作相應(yīng)的輸出響應(yīng)。

壓力控制系統(tǒng)主要監(jiān)控主缸的壓力，主要由主缸（耐壓缸）、壓力傳感器、真空泵和流量泵組成，主缸內(nèi)的壓力傳感器作為輸入反饋信號(hào)、連接主缸的真空泵作為負(fù)壓輸出源、連接主缸的流量泵作為正壓力輸出源（正負(fù)輸出是相對(duì)當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫Γ?，組成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)選件方面，由于壓力控制的范圍，負(fù)壓要求要達(dá)到100 Pa,而缸體的體積約為150 L，考慮到抽真空效率，選用流量為28 L/s的真空泵，并設(shè)計(jì)一個(gè)體積約為130 L真空存儲(chǔ)缸體，以便讓主缸體更快達(dá)到需要的真空度；而正壓要求達(dá)到1.2 MPa，最高壓力不能超過1.6 MPa，選用流量為1.6 L/h的流量泵，作為正壓的加壓源，并設(shè)有爆破片，防止因壓力過大發(fā)生事故。反饋信號(hào)方面，采用一個(gè)壓力傳感器檢測(cè)缸體壓力，壓力傳感器能把壓力值轉(zhuǎn)化成電壓值輸出，再由PLC的模擬量模塊進(jìn)行采集，最后PLC根據(jù)采集回來的數(shù)據(jù)作相應(yīng)的輸出響應(yīng)，其控制圖如圖3所示。

圖3 壓力控制圖

圖3中，由于缸體的壓力一般呈現(xiàn)線形變化，這樣，PLC便能實(shí)時(shí)監(jiān)控壓力傳感器反饋回來的數(shù)據(jù)，根據(jù)反饋回來的數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，就能判斷缸體內(nèi)的各種狀況（如是否漏氣、輸出是否正常等）。并依據(jù)這些數(shù)據(jù)作出相應(yīng)的輸出及提示。

選用壓力傳感器方面，通過以下計(jì)算得出壓力傳感器的最小分辨率。

其中壓力傳感器反饋的電壓信號(hào)輸出為2～4 V值,而壓力傳感器最大的檢測(cè)范圍是0～2 MPa，因此，壓力和電壓的換算計(jì)算:

式中：

K1壓力和電壓的換算比；

Pmax為壓力傳感器能檢測(cè)的最大壓力值；

Vmax為壓力傳感器最大壓力值的輸出電壓；

Vmin為壓力傳感器最小壓力值的輸出電壓。

而PLC模擬量輸入采用的是12位輸入模塊,采集電壓為單極性0～5 V，即采集的分辨率為：

式中：

K2為采集模塊的分辨率；

V為采集模塊能檢測(cè)的最大電壓值；

D為采集模塊數(shù)據(jù)存放位數(shù)。

從以上兩計(jì)算得出，PLC模塊通過采集壓力傳感器反饋回來的電壓，可以檢測(cè)缸體壓力的分辨率K3為：

因此其分辨率足夠應(yīng)用于主缸的壓力檢測(cè)。

2.2 加熱及保溫系統(tǒng)

在含浸過程中，若電解液處在一定高溫（約65℃左右），能提高電解液的滲透效果和速度。所以，必須設(shè)計(jì)一個(gè)加熱及保溫系統(tǒng)，來確保電解液的溫度保持在設(shè)定溫度上。

該系統(tǒng)的硬件主要由發(fā)熱棒、熱電偶、傳熱油及保溫層組成。由于不能對(duì)電解液直接加熱，所以必須采用隔離加熱的方式，發(fā)熱棒對(duì)傳熱油進(jìn)行加熱，傳熱油作為傳熱介質(zhì)，對(duì)缸體的電解液導(dǎo)熱，達(dá)到加熱及保溫效果。

控制方面，主要采用PLC的溫控模塊立缸體內(nèi)的溫度進(jìn)行控制，發(fā)熱棒作為加熱源、熱電偶作為反饋信號(hào)，由PLC實(shí)現(xiàn)閉環(huán)PID控制，能精確控制傳熱油的溫度，從而使電解液的溫度可控；并在缸體外加上隔熱棉保溫，使電解液的溫度不易下降，起到節(jié)能環(huán)保作用。

其中在模擬系統(tǒng)中，PID算法的表達(dá)式為：

式中：

P（t）為調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；

e（t）為調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，它等于測(cè)量值與給定值之差；

KP為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；

TI為調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間；

TD為調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。

通過采用PID控制，能把溫度穩(wěn)定在一定范圍，從而保證了含浸的質(zhì)量，使電解液更好地滲透入鋁箔紙中。

2.3 電解液循環(huán)系統(tǒng)

主要由主缸、儲(chǔ)液缸、輔佐缸及控制閥門組成。由于含浸過程要經(jīng)過多次換液，所以本系統(tǒng)能在封閉的環(huán)境下，使電解液在3個(gè)缸體之間循環(huán)或?qū)С?。這不但能節(jié)約電解液的用量，還能防止電解液在空氣中揮發(fā)導(dǎo)致的環(huán)境污染。含浸后的電解液經(jīng)過過濾導(dǎo)出，能再次用于含浸生產(chǎn)，這樣做就直接降低生產(chǎn)成本和提高電解液的使用效率，同樣有助于減少對(duì)環(huán)境的污染；而且在循環(huán)過程中，能按工藝要求在任意的循環(huán)點(diǎn)返回，如此可讓循環(huán)多樣化，不但能提高含浸質(zhì)量，還能提高含浸效率。其系統(tǒng)圖如圖4所示。

圖4 電解液循環(huán)圖

2.4 脫液系統(tǒng)

主要由脫液篩網(wǎng)、密封圈、變頻器及電機(jī)組成，通過PLC的PWM輸出，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

由于含浸后的電解液需要經(jīng)過晾干，如果在含浸后直接取出晾干，由于元件會(huì)殘留大量的電解液，不但晾干時(shí)間長(zhǎng)，而且電解液在空氣中揮發(fā)對(duì)周圍環(huán)境造成污染，所以，在取出晾干前，直接在主缸內(nèi)的篩網(wǎng)脫液。通過采用變頻電機(jī)以多段速度帶動(dòng)曬網(wǎng)旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用，可以把殘留在元件上的電解液基本除去，多段速度控制可使在旋轉(zhuǎn)過程中的元件所受到的沖擊慣性最少，避免元件的損傷，還有助于殘留液體較好地清除，然后再取出進(jìn)一步晾干，這樣就大大減少了晾干的時(shí)間，而且脫液過程中被甩出來的電解液能通過主缸回收，進(jìn)一步減少電解液的損耗和對(duì)環(huán)境的污染，多段速控制流程如圖5所示。

圖5 脫液流程圖

3 結(jié) 論

智能化高效含浸機(jī)解決傳統(tǒng)人手操作含浸問題，提高含浸效率和含浸質(zhì)量，由于使用了脫液和液體循環(huán)系統(tǒng)，從而減少了電解液的用量，節(jié)約成本及減少對(duì)人體傷害和環(huán)境的污染。在設(shè)計(jì)過程中，較難點(diǎn)為如何準(zhǔn)確控制缸體壓力以及當(dāng)加正壓時(shí)的安全性等。通過對(duì)電氣件的篩選和對(duì)控制系統(tǒng)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)缸體壓力的準(zhǔn)確控制。

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Intelligent Control System Design and Implementation of High Performance Treating Machine

HE Haihua，LIAN Guoheng
（Zhaoqing honghua electronic technology Co.，Ltd ，zhaoqing 526060，China）

Abstract:Combined with the closed loop control system，PID control algorithm，closed fluid circulation control and multi-speed dewatering system technology，the development of an intelligent and efficient impregnation equipment.System through the temperature，pressure，time，speed data acquisition，high speed processing with PLC，completion of the electrolytic capacitor foil for liquid injection，heating，vacuum，pressure，liquid and liquid flow control，the whole process can be recycled，and the number of cycles.

Keywords:Intelligentize ；Electrolyte；Closed-loop control；Circulatory system；The control algorithm of PID

TN605

B

1004-4507（2013）07-0047-05

2013-06-19

何海華（1982-），男，廣東省肇慶人，助理工程師，主要從事自動(dòng)化設(shè)備的電氣設(shè)計(jì)和研發(fā)工作。