電容器熔膠機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

鄭天池 ，郭琳娜 ，孫小剛 ，邱自學(xué)

（1.南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇 蘇州 215011）

1 引言

鋁電解電容器是各類電子產(chǎn)品不可替代的重要元件，廣泛應(yīng)用于電源、家用電器、電子節(jié)能燈及汽車電子等電子設(shè)備[1-2]。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，“小體積、大容量、耐高溫、長(zhǎng)壽命”將是鋁電解電容器發(fā)展的必然趨勢(shì)[3-5]。

鋁電解電容器在完成芯包引腳刺孔裁切、蓋板鉚接后，需要對(duì)鋁殼進(jìn)行定量灌膠，在鋁殼定量灌膠工序需將固體膠通過熔膠機(jī)熔化成液態(tài)。目前，電容器生產(chǎn)企業(yè)使用的熔膠機(jī)采用一層加熱，存在加熱不均勻、加熱精度低、滯后性大等缺點(diǎn)，同時(shí)，由于膠箱溫度的控制受散熱、環(huán)境溫度等諸多因素影響，其加熱過程是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過程，故采用常規(guī)的控制方法難以達(dá)到理想的控制效果。而增量式PID控制算法由于其不需要建立數(shù)學(xué)模型、技術(shù)成熟、控制效果和魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，使得大多數(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)獲得了良好的閉環(huán)控制效果[6-7]。

針對(duì)電容器熔膠機(jī)加熱溫度控制的要求，設(shè)計(jì)了基于PLC和增量式PID控制的電容器熔膠機(jī)溫控系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠、平穩(wěn)，響應(yīng)速度快，魯棒性好，實(shí)現(xiàn)了膠液的恒溫控制，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 溫控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 熔膠機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

熔膠機(jī)用于對(duì)固體膠進(jìn)行分層加熱，并保持恒溫輸送至齒輪泵，熔膠機(jī)膠箱加熱包含罐筒加熱、中罐加熱和下罐加熱，其中，罐筒加熱用于對(duì)固體膠進(jìn)行預(yù)熱，中罐加熱用于將固體膠熔化并保持在（150～160）℃，下罐加熱用于對(duì)膠液恒溫加熱并保持在（210±5）℃，熔膠機(jī)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1中，齒輪泵選用變頻調(diào)速的耐溫精密計(jì)量式，用于將熔膠機(jī)中恒溫段的膠液通過輸送管輸送至鋁殼中。為防止膠液發(fā)生炭化，在熔膠機(jī)膠箱內(nèi)壁涂有特氟龍涂層，確保膠液處于最佳狀態(tài)，防止堵塞。

圖1 熔膠機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of Melt Glue Machine

2.2 溫控系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)熔膠機(jī)的加熱要求，設(shè)計(jì)了基于PLC和增量式PID的溫度控制系統(tǒng)，能夠滿足熔膠機(jī)加熱工藝要求，具有溫控精度高、魯棒性強(qiáng)、響應(yīng)速度快、系統(tǒng)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。溫控系統(tǒng)硬件組成，如圖2所示。主要由三菱FX2N系列PLC、溫控模塊FX2N-2LC、溫控電路、人機(jī)界面（溫度設(shè)定與顯示，聲光報(bào)警）、加熱器、傳感器（熱電偶）等組成。

圖2 溫控系統(tǒng)硬件組成Fig.2 Hardware Components of Temperature Control System

溫控系統(tǒng)的工作原理為：熱電偶（傳感器）將采集到的溫度值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，作為FX2N-2LC的輸入信號(hào)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳送給PLC作為檢測(cè)值，PLC運(yùn)用PID功能指令將檢測(cè)值與給定值進(jìn)行PID算法處理，得出控制數(shù)據(jù)，并由FX2N-2LC將數(shù)字量的控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬量來控制溫度控制電路，以對(duì)膠箱溫度進(jìn)行精確控制。

溫控系統(tǒng)的控制過程可分為自然降溫、加熱升溫和恒溫3個(gè)過程。自然降溫：當(dāng)加熱溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，停止加熱，利用環(huán)境溫度進(jìn)行自然降溫；加熱升溫：用于熔膠機(jī)中罐加熱過程，采用PLC控制加熱電路，實(shí)現(xiàn)熔膠機(jī)中罐的自動(dòng)加熱；恒溫：用于熔膠機(jī)下罐加熱過程，設(shè)定下罐溫度為定值，使下罐溫度穩(wěn)定在給定值上。

3 溫控算法設(shè)計(jì)

用PLC對(duì)模擬量進(jìn)行PID控制主要有3種方法，分別是PID功能指令、PID過程控制模塊和PID自編程序閉環(huán)控制[8]。PID過程控制用于復(fù)雜的大型控制系統(tǒng)；自編程序編程相對(duì)復(fù)雜。因此，本系統(tǒng)采用PID功能指令進(jìn)行PID閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)熔膠機(jī)膠箱溫度的精確控制。

基于PLC的PID控制器設(shè)計(jì)是以常規(guī)PID控制規(guī)律為基礎(chǔ)，將其數(shù)字化寫成增量式PID控制方程，再根據(jù)增量式方程進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)[9]。電容器熔膠機(jī)溫控系統(tǒng)的PLC閉環(huán)控制框圖，如圖3所示。圖中虛線部分表示在PLC內(nèi)。

圖3 PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖Fig.3 Block Diagram of PLC Closed Loop Control System

在常規(guī)控制系統(tǒng)中，PID控制是迄今為止算法比較簡(jiǎn)單、功能比較完善、效果比較好的一種控制算法[10-12]。其一般形式如下：

式中：e（t）=rin（t）-yout（t），dt—系統(tǒng)誤差；Kp—比例系數(shù)；Ti—積分時(shí)間常數(shù)；Td—微分時(shí)間常數(shù)。

當(dāng)采樣周期足夠小時(shí)，在模擬調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值逼近的方法，同時(shí)采用求和、后向差分分別代替積分、微分，使模擬PID離散化為差分方程：

式中：T—采用周期；k—采樣序號(hào)。

通過計(jì)算，可得PID控制規(guī)律的離散形式，即：

式中：u（k）—第k次采用時(shí)刻的輸出值；e（k）—第k次采樣時(shí)刻

輸入的誤差值；e（k-1）—第k-1次采樣時(shí)刻輸入的誤差值；

Kp—比例系數(shù)；Ki=KpT/Ti—積分系數(shù)；Kd=KpTd/T—微分系數(shù)。

由式（3）可進(jìn)一步得到：

由式（5）知，增量式PID控制算法不需做累加，計(jì)算誤差和計(jì)算精度對(duì)控制量的計(jì)算影響較小。

4 溫控系統(tǒng)軟件流程及程序?qū)崿F(xiàn)

軟件控制模塊是溫控系統(tǒng)的重要組成部分，由于軟件系統(tǒng)較多，采用了模塊化設(shè)計(jì)方案，各模塊之間通過特定的軟件接口實(shí)現(xiàn)連接和通信。溫控系統(tǒng)的主要工作流程圖，如圖4所示。

圖4 軟件工作流程Fig.4 Working Process of Software

其工作原理如下：?jiǎn)?dòng)溫控，在人機(jī)界面中輸入熔膠機(jī)恒溫參數(shù)，然后對(duì)膠箱溫度進(jìn)行測(cè)量和顯示，若膠溫等于設(shè)定最低溫度則迅速加熱；若膠溫等于設(shè)定最高溫度則停止加熱。通過溫度傳感器獲取實(shí)際溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，如果相同則結(jié)束；如果不同，則通過PID算法控制膠箱加熱，直至相同。

根據(jù)熔膠機(jī)加熱要求，其中罐加熱最高溫度為（150～160）℃，下罐加熱保持恒溫溫度為210℃，故溫控系統(tǒng)的溫控模塊采用2個(gè)通道。利用GX-Works2編程軟件編寫了PID控制的軟件程序段，如圖5所示。

圖5 PID控制軟件程序段Fig.5 Program Segment of PID Control Software

5 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

5.1 溫控系統(tǒng)仿真分析

實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，對(duì)中罐加熱層選擇控制器的比例系數(shù)Kp=2、積分時(shí)間常數(shù)Ti=0.75s，微分時(shí)間常數(shù)Td=0.85s；對(duì)下罐加熱層選擇控制器的比例系數(shù)Kp=2、積分時(shí)間常數(shù)Ti=0.5s，微分時(shí)間常數(shù)Td=0.75s。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制算法的正確性，通過Matlab建模并對(duì)PID控制和增量式PID控制進(jìn)行仿真比較。仿真結(jié)果，如圖6、表1所示。

由圖6及表1知，在相同條件下，增量式PID控制在超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間上都優(yōu)于常規(guī)PID，證明了增量式PID控制在對(duì)非線性、大滯后性的時(shí)變系統(tǒng)中，具有良好的控溫精度和較小的超調(diào)量。

圖6 增量式PID控制仿真曲線圖Fig.6 Simulation Curve of Incremental PID Control

表1 仿真結(jié)果參數(shù)對(duì)照Tab.1 Comparison of Simulation Results

5.2 熔膠機(jī)加熱溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

對(duì)設(shè)計(jì)、組裝完成的熔膠機(jī)進(jìn)行了實(shí)際加熱溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)。當(dāng)熔膠機(jī)加熱溫度達(dá)到恒溫溫度并穩(wěn)定后，用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行溫度測(cè)試。選取膠箱的左端點(diǎn)、中點(diǎn)及右端點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)，將熱電偶放在三個(gè)測(cè)試點(diǎn)并穩(wěn)定15min左右，每隔10min記錄一次溫度值。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，進(jìn)行了相應(yīng)的處理，得到了實(shí)測(cè)參數(shù)值，并與設(shè)計(jì)參數(shù)值進(jìn)行比較，如表2所示。由表2可知，所測(cè)量的熔膠機(jī)加熱性能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，且實(shí)際測(cè)量參數(shù)優(yōu)于設(shè)計(jì)參數(shù)。

表2 實(shí)測(cè)參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比表T Tab.2 Comparison of Measured and Designed Parameters

6 結(jié)論

（1）針對(duì)電容器熔膠機(jī)存在膠液加熱不均勻、膠易炭化、加熱精度低等問題，設(shè)計(jì)了基于PLC和增量式PID的電容器熔膠機(jī)溫度控制系統(tǒng)；對(duì)設(shè)計(jì)完成的溫控系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與仿真分析，仿真結(jié)果顯示系統(tǒng)加熱溫度均勻，加熱精度高，具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得系統(tǒng)能在15min內(nèi)自動(dòng)達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)溫度值，且測(cè)量誤差保持在（±1）℃以內(nèi)；（2）系統(tǒng)已在電容器生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際使用，運(yùn)行狀況良好，性能穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)熔膠機(jī)的自動(dòng)升溫、降溫功能，提高了鋁殼灌膠工序的產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益；（3）將增量式PID控制算法用于電容器熔膠機(jī)溫控系統(tǒng)，并驗(yàn)證了其優(yōu)越性，拓展了增量式PID的應(yīng)用領(lǐng)域，為增量式PID算法應(yīng)用于其他領(lǐng)域的溫度控制提供了參考價(jià)值。

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