基于分時(shí)分區(qū)控制機(jī)制的熱壓成型機(jī)加熱系統(tǒng)優(yōu)化研究

王振超，劉根戰(zhàn)，孫楊，李書鵬，楊俠

（1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430200；2.西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠設(shè)備動(dòng)力處，陜西西安710100；3.武漢鑫鼎泰技術(shù)有限公司，湖北武漢430200）

基于分時(shí)分區(qū)控制機(jī)制的熱壓成型機(jī)加熱系統(tǒng)優(yōu)化研究

王振超1，劉根戰(zhàn)2，孫楊3，李書鵬1，楊俠1

（1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430200；2.西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠設(shè)備動(dòng)力處，陜西西安710100；3.武漢鑫鼎泰技術(shù)有限公司，湖北武漢430200）

通過對熱壓成型機(jī)生產(chǎn)運(yùn)作過程分析，對PLC控制系統(tǒng)部分以及加熱板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造優(yōu)化，提出了一種基于分時(shí)分區(qū)控制機(jī)制加熱系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)降低熱壓成型機(jī)能耗。改造后系統(tǒng)實(shí)踐顯示，基于分區(qū)分時(shí)控制機(jī)制熱壓成型機(jī)加熱系統(tǒng)節(jié)能率可達(dá)57.8%.分時(shí)分區(qū)控制加熱系統(tǒng)可以應(yīng)用于熱壓成型機(jī)節(jié)能優(yōu)化。

熱壓成型機(jī)；分區(qū)分時(shí)；PLC；節(jié)能

熱壓成型具有模具便宜，成品厚度均勻等優(yōu)點(diǎn)，其產(chǎn)品有冰箱門的內(nèi)襯、汽車擋泥板、汽車底盤、軟質(zhì)飲水機(jī)、標(biāo)示牌、包裝材料及其他厚度均勻的產(chǎn)品[1]。市場上大部分熱壓成型機(jī)是將模型塑料（以下簡稱模塑）置于模具的模型腔體之中，通過加熱使之軟化，再施加壓力以成型。熱壓成型機(jī)模塑種類繁多且具有不同的形狀尺寸（如圖1所示）?，F(xiàn)有的熱壓成型機(jī)大多數(shù)是在整個(gè)生產(chǎn)過程中開啟所有的加熱管，沒有根據(jù)所加熱模塑的尺寸大小和需要的加熱功率進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致熱壓成型機(jī)耗能嚴(yán)重。通過在某模塑公司現(xiàn)場調(diào)查后還發(fā)現(xiàn)工人離開熱壓成型機(jī)時(shí)為了保持預(yù)熱效果，通常不會斷開加熱管電源，最終使耗能更加嚴(yán)重。為解決以上問題，對熱壓成型機(jī)引入分時(shí)分區(qū)控制理論，研發(fā)出基于分區(qū)分時(shí)控制機(jī)制加熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)模塑具有的實(shí)際尺寸調(diào)整加熱范圍，實(shí)現(xiàn)按需加熱、節(jié)能環(huán)保[2-4]。

圖1 部分模塑實(shí)物圖

1 熱壓成型機(jī)加熱系統(tǒng)

1.1 熱壓成型機(jī)結(jié)構(gòu)及加熱系統(tǒng)工作原理

LC-Z-4060型熱壓成型機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該設(shè)備的最主要工作原理如下：

初始起動(dòng)時(shí)，接通電源開啟加熱板（4）上的加熱燈管進(jìn)行預(yù)熱，放入模塑在下模具（6）里，通過觸摸屏（2）控制PLC電氣控制系統(tǒng)開啟電動(dòng)機(jī)（8），使加熱板托架（7）帶動(dòng)加熱板（4）前進(jìn)到模具上進(jìn)行加熱，工人按照經(jīng)驗(yàn)開啟電動(dòng)機(jī)（8）反轉(zhuǎn)帶動(dòng)加熱板返回初始位置，當(dāng)加熱板完全到達(dá)初始位置時(shí)起動(dòng)氣缸（1）使上壓板上模具（3）下降壓模（人手超出安全光柵（5）位置時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)測到信號可停止上壓板下降防止出現(xiàn)安全問題）。壓模設(shè)定時(shí)間結(jié)束后，上壓板返回初始位置結(jié)束單件生產(chǎn)工藝，等工人取出壓好的模塑后，放入下一個(gè)模塑進(jìn)行產(chǎn)品成型，重復(fù)以上步驟，直到設(shè)備停止運(yùn)行。

2熱壓成型機(jī)主體結(jié)構(gòu)示意圖

通過上述熱壓機(jī)運(yùn)行過程以及現(xiàn)場生產(chǎn)過程的觀察，原系統(tǒng)控制生產(chǎn)工藝流程可總結(jié)為圖3所示的流程。

圖3 原生產(chǎn)工藝流程循環(huán)圖

由于上述熱壓成型機(jī)在生產(chǎn)過程中加熱系統(tǒng)的加熱燈管全時(shí)段通電，設(shè)備整個(gè)運(yùn)行過程中的有效加熱時(shí)間短，造成大量電能損耗。

1.2 控制系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)

根據(jù)現(xiàn)場的生產(chǎn)工藝要求，升級改造之后設(shè)備控制需達(dá)到如下幾點(diǎn)要求：

（1）加熱板燈管需要預(yù)熱；

（2）模塑加熱在一定時(shí)間之內(nèi)；

（3）加熱版托架完全返回初始位置上壓板才開始下降；

（4）控制系統(tǒng)需要“自動(dòng)運(yùn)行”以及“手動(dòng)控制”兩種操作模式；

（5）生產(chǎn)的數(shù)量需要計(jì)數(shù)且可以清零；

（6）安全光柵正常運(yùn)作，防止出現(xiàn)生產(chǎn)事故；

（7）加熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分時(shí)分區(qū)控制。

1.3 優(yōu)化后控制系統(tǒng)的組成

為滿足工藝要求，對原有的電氣部分以及加熱板結(jié)構(gòu)改造后控制系統(tǒng)保留原有的上模升降壓模系統(tǒng)、加熱數(shù)量顯示及計(jì)數(shù)系統(tǒng)和加熱板電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，新增加加熱分時(shí)控制系統(tǒng)和加熱燈管組的分區(qū)加熱控制系統(tǒng)。

圖4所示為改造后控制系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)圖，將原有的加熱燈管分為三組分區(qū)，通過PLC控制加熱燈管管組的接觸器KM1，KM2，KM3的通斷進(jìn)行分時(shí)與分區(qū)加熱控制。為使其安全工作，采用了斷路器QF進(jìn)行短路保護(hù)和欠壓保護(hù)，采用熱繼電器FR對其進(jìn)行過載保護(hù)[5]。

圖4 主電路設(shè)計(jì)圖

2 加熱分區(qū)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 加熱分區(qū)控制系統(tǒng)原理

把模塑按照尺寸長度可以劃分為小型、中型以及長型三種類型，因此可以按照加熱需求把加熱板上的加熱燈管分劃為3個(gè)加熱區(qū)域。如圖5所示為加熱分區(qū)控制系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC、接觸器和多個(gè)加熱燈管組組成，圖5中一為中央燈管管組，二和三為中央加熱管組兩側(cè)相互對稱且加熱管數(shù)量一致的加熱燈管管組，每個(gè)加熱燈管組的主線路均設(shè)有一個(gè)接觸器，所有的接觸器都連接至PLC控制器，所述PLC控制器與觸摸屏連接。通過觸摸屏設(shè)定加熱區(qū)域：當(dāng)模塑尺寸較大時(shí)可以選擇開啟中央加熱管組以及兩側(cè)對稱的若干個(gè)加熱燈管組（一和二區(qū)或一、二和三區(qū)同時(shí)開啟），使加熱范圍滿足模塑尺寸；當(dāng)模塑尺寸較小時(shí)僅需要開啟中央加熱燈管組（一區(qū)），通過以上分區(qū)系統(tǒng)控制可以有效降低生產(chǎn)過程中的加熱能耗。

圖5 加熱分區(qū)控制系統(tǒng)圖

2.2 加熱板結(jié)構(gòu)改造

原設(shè)備加熱板如圖6所示，加熱板上現(xiàn)有的加熱管一般都是兩端帶有導(dǎo)線安裝在加熱板上，這種安裝方式在更換燈管時(shí)需要耗費(fèi)時(shí)間去拆線，并且加熱板在前進(jìn)后退過程中震動(dòng)時(shí)加熱管容易損壞。為解決以上加熱燈管分區(qū)控制以及加熱管存在的問題，采用一種新型碳纖維加熱管，并設(shè)計(jì)一種加熱燈管快速裝卸結(jié)構(gòu)。

圖6 加熱板改造前后對比

所采用的碳纖維加熱管是由兩端帶有螺柱的碳纖維燈管和帶有內(nèi)螺紋的圓柱銅頭組成[6]。銅座安裝在不同長度的導(dǎo)電銅條上來實(shí)現(xiàn)加熱燈管的分區(qū)控制。通過兩端的銅頭卡在銅座的圓形卡槽里固定住，既可以防止加熱板運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)燈管振動(dòng)和位移，還可以方便加熱管的拆卸更換。以上述LC-Z-4060型熱壓成型機(jī)的加熱板為例，通過合理計(jì)算可將原本加熱板上24支加熱燈管分組編為中央一區(qū)8支，分組二區(qū)左右各4支，分組三區(qū)同二區(qū)左右各4支。分組加熱控制能滿足不同模塑尺寸加熱需求，合理降低熱能的消耗[7]。

3 加熱分時(shí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以原設(shè)備為基準(zhǔn)，整個(gè)單件模塑生產(chǎn)過程加熱管耗能時(shí)間按如下公式（1）計(jì)算：

式中，t1為加熱燈管預(yù)熱時(shí)間；t2為電機(jī)帶動(dòng)加熱板前進(jìn)到加熱位時(shí)間，加熱板退回初始位置時(shí)間；t3為模塑加熱時(shí)間；t4為上模下降時(shí)間；t5為壓模設(shè)定時(shí)間；t6為上模上升時(shí)間；t7為工人取件時(shí)間；

模塑的成型受固化溫度、固化時(shí)間、固化壓力、升溫速度、加熱時(shí)間和加壓時(shí)間等多因素影響，目前市場上主要依靠工人多次試驗(yàn)，采用經(jīng)驗(yàn)來設(shè)定加熱板的加熱時(shí)間以及壓模時(shí)間[8]。分時(shí)控制加熱系統(tǒng)通過縮減上模上升以及加熱板后退過程這些非加熱段的時(shí)間降低能耗。選用的碳纖維遠(yuǎn)紅外電加熱管具有如下特點(diǎn)[9]：

（1）電氣性能穩(wěn)定，升溫速度極快。碳纖維電熱管通電以后，在頻繁啟動(dòng)，關(guān)閉和長期連續(xù)工作中，功率穩(wěn)定在一定公差范圍之內(nèi)，不會產(chǎn)生任何的瞬時(shí)功率沖擊。通電5 s內(nèi)，就能達(dá)到額定功率。

（2）電-熱轉(zhuǎn)換效率高，比一般金屬發(fā)熱體節(jié)能30%以上。

（3）使用壽命長。碳纖維電熱管在頻繁啟動(dòng)，關(guān)閉和長期連續(xù)工作中，發(fā)熱體無氧化和擊穿現(xiàn)象，發(fā)熱光色均勻。

故針對碳纖維經(jīng)加熱管的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，通過斷開原設(shè)備非加熱段加熱燈管電源來減小無效加熱時(shí)間，提高加熱覆蓋率進(jìn)行節(jié)能降耗，則改造后生產(chǎn)工藝流程循環(huán)如圖7所示。

圖7 改造后生產(chǎn)工藝流程循環(huán)圖

通過PLC軟件設(shè)置控制圖4中接觸器KM1，KM2，KM3線圈通電，實(shí)現(xiàn)加熱燈管的分時(shí)控制。分時(shí)控制系統(tǒng)將整個(gè)工藝流程分為加熱段與非加熱段。加熱段即在原有的基礎(chǔ)上將加熱管的預(yù)熱與加熱板的前進(jìn)同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)加熱板到達(dá)加熱位置時(shí)碳纖維加熱燈管已經(jīng)完成預(yù)熱以及模塑的預(yù)熱，節(jié)約加熱管自身的預(yù)熱時(shí)間以及減少加熱板停留的加熱時(shí)間，有效節(jié)能。非加熱段即加熱板停留的加熱時(shí)間達(dá)到設(shè)定加熱時(shí)間后，同時(shí)開啟電機(jī)反轉(zhuǎn)以及斷開加熱管組的電源，減少非有效加熱時(shí)間達(dá)到節(jié)能效果。

在原有的豐煒PLC系統(tǒng)上重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制程序，加熱分時(shí)分區(qū)控制加熱系統(tǒng)部分PLC梯形圖如圖8所示。

圖8 部分程序梯形圖

改造后，單件模塑生產(chǎn)過程加熱管耗能時(shí)間按如下公式（2）計(jì)算：

由于基于分時(shí)分區(qū)控制系統(tǒng)的熱壓成型機(jī)生產(chǎn)工況分為3種不同情況（一區(qū)加熱、一二區(qū)加熱、一二三區(qū)加熱），其最小節(jié)能率（η）可按一二三區(qū)加熱管全開用如下公式（3）計(jì)算：

通過設(shè)置PLC在觸摸屏上顯示出的加熱管預(yù)熱時(shí)間t1為2 s，電機(jī)帶動(dòng)加熱板前進(jìn)到加熱位時(shí)間t2為2 s，上模下壓時(shí)間t4為1.75 s，上升時(shí)間t6為1.85 s，工人取件的平均時(shí)間t7為1 s.模塑加熱時(shí)間與材料厚度種類有關(guān)，計(jì)算最小節(jié)能率選擇生產(chǎn)過程中最大模塑加熱時(shí)間t3為3 s，設(shè)定的壓模時(shí)間t5為3 s.代入公式（3）即：

改造完成后整體實(shí)物如圖9所示。

圖9 改造后設(shè)備圖

4 結(jié)束語

加熱系統(tǒng)優(yōu)化之后，通過實(shí)踐顯示其節(jié)能效果之后可得出如下結(jié)論：

（1）優(yōu)化后的加熱系統(tǒng)可以降低熱壓成型機(jī)能耗。

（2）基于分時(shí)分區(qū)控制機(jī)制加熱系統(tǒng)既滿足不同區(qū)域不同時(shí)間的加熱需求，又能合理的降低熱能的消耗和避免不必要的浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)能的效果。分時(shí)分區(qū)控制機(jī)制系統(tǒng)在熱壓成型機(jī)中值得推廣應(yīng)用。

[1]紀(jì)良波，李永志，陳愛霞.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的塑料熱壓成型多目標(biāo)優(yōu)化[J].塑料，2012，41（3）：90-93.

[2]楊俠，韓晗，王振超，等.武漢工程大學(xué).一種熱壓成型機(jī)的加熱系統(tǒng)：中國.CN201520657535.6[P].2016-1-6.

[3]楊俠，王振超.武漢工程大學(xué).熱壓成型機(jī)溫度檢測與控制系統(tǒng)：中國.CN201520313250.0[P].2015-9-9.

[4]楊俠，王振超.武漢工程大學(xué).一種熱壓成型機(jī)的溫控系統(tǒng)：中國，CN201520657555.3[P].2016-1-6.

[5]吳宏岐，秦少軍，劉霞，等.熱壓成型機(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣自動(dòng)化，2010，32（4）：44-46.

[6]楊俠，王振超.武漢工程大學(xué).一種熱壓成型機(jī)加熱燈管快速裝卸結(jié)構(gòu)：中國.CN201520657555.3[P].2016-1-6.

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Optimization Research of Heating System of Hot Press Forming Machine Based on Zone and Time Control Mechanism

WANG Zhen-chao1，LIU Gen-zhan2，SUN Yang3，LI Shu-peng1，YANG Xia1
（1.Wuhan Institute of Technology，School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Hubei 430200，China；2.Equipment Department of Xi’an Aerospace Engine Plant，Xi’an Shaanxi 710100，China；3.Wuhan Xin Ding Tai Technology Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430200，China）

Based on the research of the production process of hot press molding machine，PLC control system and the heating plate structure are upgraded and optimized.A zone and time control heating system was developed to reduce the energy consumption of hot press molding machine.Energy saving effect of the reformed system is analyzed and calculated.The results show that the energy saving rate of the hot press molding machine heating system is 57.8%.Zone and time control heating system has a relatively wide application and development prospects.

hot-pressing forming machine；zone and time control；PLC；energy saving

TG76

A < class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0128-04

2017-02-01

王振超（1992-），男，湖北武漢人，在讀研究生，研究方向?yàn)檫^程控制。