CN102601987A - 一种气压热成型机的温控方法及温控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气压热成型机的温控方法及温控系统，通过将加热区域细化为多个温区，分别采集各个温区中靠近片材位置的实时温度，并依据该温度采用模糊PID的控制方法来控制各个温区中所有加热单元的总体输出功率，快捷、精确控制各个温区的温度变化，从而使得片材的温度得到更精确的控制，提高成型的效果，提高产品的合格率，同时又简化了控制结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种温控方法和温控系统，尤其涉及一种气压热成型机的温控方法，以及基于该温控方法的温控系统。
背景技术
气压热成型机是一种用于制造完全相同产品的塑料加工成型设备，将热塑性塑料片材加热至软化，在气体压力作用下，采用适当的模具使其成为制品，同时能依照一定的程序重复生产循环。气压热成型机的温控系统是气压热成型机工作的关键部分，直接影响着气压热成型机成型的效果。目前，气压热成型机的温控系统一般都是采集加热瓦片的中心温度，并根据加热瓦片的中心温度采用复杂的控制系统进行温度控制。这样，从加热瓦片上采集回来的温度与被加热片材的温度相差甚远，而且被加热片材温度的变化也不能及时反映到采集回来的温度上，具有明显的滞后性，影响着气压热成型机成型的效果，产品合格率降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种气压热成型机的温控方法，以及基于该温控方法的温控系统，使得热成型机的温度控制更加简单，并且温度控制精度大幅度提高，提高成型的效果，提高产品的合格率。采用的技术方案如下：
一种气压热成型机的温控方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)、沿片材的输送方向，将热成型机上的加热区域划分为至少两个温区，每个温区中设有还少一对加热单元；
(2)、在每个温区中选取一个靠近片材的检测位置，分别采集检测位置的实时温度；
(3)、将各个温区的实时温度与片材要求温度进行比较，得出各个温区的温度偏离值，然后通过各个温区的温度偏离值分别控制相应温区中所有加热单元的总体输出功率。
上述一对加热单元通常在热成型机上以一上一下的方式设置，片材则是从一上一下两个加热单元之间通过，片材的上表面和下表面均受热辐射而被加热到温度要求；上述加热单元一般采用加热瓦片。
由于热成型机的加热区域比较大(沿片材输送方向，加热区域较长)，以往在片材的上方和下方的加热器件均为一整体，片材通过加热区域时，片材上的各点温度并不相同，探测任意一点的温度都无法准确代表片材的温度，因此难以达到准确的控制，本发明中，通过将热成型机上的加热区域划分为至少两个温区，即是将加热区域进行细化，并分别设置加热单元，划分的温区越多，采集各个温区的实时温度，就能越接近该处片材的实际温度，因此通过将加热区域划分为多个温区，提高了温度控制的精度，提高成型的效果，提高产品的合格率；通过采集检测位置(靠近片材位置)的温度，该检测位置的温度要比加热单元上的温度低，更接近片材的实际温度，因此采集检测位置(靠近片材位置)的温度来控制温度更加精确，同样提高成型的效果，提高产品的合格率；由于加热区域划分温区越多，其控制难度越高，因此，在设置合适数量温区的情况下，在温区中设置多对加热单元，控制该温区中所有加热单元的总体输出功率，以调整该温区的温度，既达到精确控制温度的目的，又避免温区过多而控制复杂，达到简化控制的目的。
作为本发明的优选方案，其特征是：所述步骤(3)中，通过模糊PID控制方法控制温区中各个加热单元的总体输出功率。模糊PID控制方法，即是根据PID控制器的三个参数与温度偏离值的模糊关系，在运行时不断检测温度偏离值，通过事先确定的关系，利用模糊推理的方法，在线修改PID控制器的参数，让PID控制器自整定。模糊PID控制方法能够对温度等非线性问题有一个良好的控制，在温度偏离值较大时收敛速度快，在温度偏离值较小时温度变化稳定。模糊PID控制方法适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制，能够适应于受控系统数学模型难以建立和受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制，具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。
一种气压热成型机的温控系统，包括加热装置、至少两个温度探测装置和温度控制装置，加热装置和温度探测装置均与温度控制装置连接，其特征是：所述加热装置包括多个上加热单元和多个下加热单元；沿片材的输送方向，气压热成型机的加热区域依次设有至少两个温区，每个温区中设有至少一个上加热单元、至少一个下加热单元和一个温度探测装置，温度探测装置设于上加热单元与下加热单元之间。
上述温度探测装置一般采用一温度传感器，可优选为K型热电偶探头，K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中广泛为用户所采用，它可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度；上述上加热单元和下加热单元一般采用加热瓦片。
温度探测装置检测各个温区中上加热单元与下加热单元之间片材附近的实时温度，并将各个实时温度上传给温度控制装置，在温度控制装置中，各个实时温度分别与片材要求温度作比较，得出各个温区的温度偏离值，然后通过各个温区的温度偏离值分别控制相应温区中所有加热单元的总体输出功率，以调整该温区的温度，使之越来越接近片材温度要求，既达到精确控制温度的目的，又避免温区过多而控制复杂，达到简化控制的目的。
作为本发明的优选方案，其特征是：所述温度控制装置包括至少两个温度采集模块、主控模块和至少两个执行模块；各个温度采集模块和执行模块均与主控模块连接；各个温度采集模块与相应的温度探测装置连接；各个执行模块与相应的上加热单元、下加热单元连接。温度采集模块接收温度探测装置检测到的实时温度，转化为数值，在主控模块中通过预设的算法进行运算，最后通过执行模块发出指令，指示相应的上加热单元、下加热单元增加或减少输出功率，从而控制各个温区中所有的上加热单元、下加热单元的总体输出功率。
作为本发明进一步的优选方案，其特征是：所述主控模块为模糊PID控制器。优选模糊PID控制器采用FPGA作为其主控芯片。FPGA(Field-ProgrammableGate Array)，即现场可编程门阵列，它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。进一步优选FPGA为Xilinx公司生产的Spartan-3XC3S200。Spartan3是一种低成本高性能大批量逻辑解决器件，侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求。Spartan-3 XC3S200的特点是高性能，主频可以达到50MHz，高I/O数量，高达141个I/O端口。I/O驱动能力强，最大达36mA；支持多达24种的I/O标准(Spartan-3E支持18种)；支持DCI(数字控制阻抗匹配)。这些丰富的内部资料和I/O端口，使Spartan-3XC3S200可以实现多数据并行处理，并进行一定的逻辑运算，实现复杂的控制算法和各种通讯方式。为了能够控制更多的上加热单元、下加热单元，还可优选采用两片Spartan-3 XC3S200同时作为模糊PID控制器的主控芯片，并行处理各种信息。
作为本发明进一步的优选方案，其特征是：所述温度采集模块包括温度变送器和A/D转换器；温度变送器的输入端与温度探测装置连接，温度变送器的输出端与A/D转换器的输入端连接，A/D转换器的输出端与主控模块的相应输入端连接。温度变送器优选为SBWR型K型温度变送器，这种温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表，输入为24V，输出为4～20mA，主要用于工业过程温度参数的测量和控制，其带有输出信号零点和满度电位器调节，转换精度高，线性化校正，体积小，重量轻的特点。A/D转换器优选采用MAX1280芯片，MAX1280是一个12位ADC结合一个8通道模拟输入多路复用器，具有高带宽的采样/保持和高转换速度的特点，使用低功耗串行接口与FPGA进行通讯，使用简单稳定。
作为本发明进一步的优选方案，其特征是：所述执行模块包括放大器、两个电阻和固态继电器；放大器的基极通过其中一个电阻与主控模块的相应输出端连接，放大器的发射极接地，放大器的集电极与另一个电阻的一端连接，固态继电器的输入端与放大器的集电极连接，固态放大器的输出端与各个上加热单元、下加热单元连接。在控制中，连接放大器集电极的电阻的另一端连接24V的电源，来自于主控模块的控制信号控制24V电源的通断，从而实现固态继电器的通断。当来自主控模块的输入控制信号为0V时，固态继电器处于导通状态，输出24V；当来自主控模块的输入控制信号为大于0V时，固态继电器处于断开状态，输出0V。可进一步优选放大器采用2N3904元件。
本发明与现有技术相比具有如下优点：通过将加热区域细化为多个温区，分别采集各个温区中靠近片材位置的实时温度，并依据该温度采用模糊PID的控制方法来控制各个温区中所有加热单元的总体输出功率，快捷、精确控制各个温区的温度变化，从而使得片材的温度得到更精确的控制，提高成型的效果，提高产品的合格率，同时又简化了控制结构。
附图说明
图1是本发明优选实施方式的布局示意图；
图2是本发明优选实施方式的方框原理图；
图3是本发明优选实施方式中温度采集模块的原理图；
图4是本发明优选实施方式中执行模块的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和本发明的优选实施方式做进一步的说明。
这种气压热成型机的温控方法，包括如下步骤：
(1)、沿片材的输送方向，将热成型机上的加热区域划分为三个温区，每个温区中设有四对加热单元；
(2)、在每个温区中选取一个靠近片材的检测位置，分别采集检测位置的实时温度；
(3)、将各个温区的实时温度与片材要求温度进行比较，得出各个温区的温度偏离值，然后通过各个温区的温度偏离值，通过模糊PID控制方法分别控制相应温区中所有加热单元的总体输出功率。
如图1和图2所示，基于上述气压热成型机的温控方法的这种气压热成型机的温控系统，包括加热装置1、三个K型热电偶探头2和温度控制装置3，加热装置1和K型热电偶探头2均与温度控制装置3连接；加热装置1包括十二个上加热瓦片101和十二个下加热瓦片102；沿片材的输送方向，气压热成型机的加热区域依次设有3个温区，分别为第一温区4、第二温区5和第三温区6，每个温区中设有四个上加热瓦片101、四个下加热瓦片102和一个K型热电偶探头2，K型热电偶探头2设于上加热瓦片101与下加热瓦片102之间靠近片材的位置。
温度控制装置3包括三个温度采集模块301、主控模块302和三个执行模块303；各个温度采集模块301和执行模块303均与主控模块302连接；各个温度采集模块301与相应的K型热电偶探头2连接；各个执行模块303与相应的上加热瓦片101、下加热瓦片102连接。
主控模块302为模糊PID控制器，由第一FPGA3021和第二FPGA3022构成PID控制器的主控芯片，第一FPGA3021和第二FPGA3022均采用Spartan-3XC3S200。
如图3所示，温度采集模块301包括温度变送器3011和A/D转换器3012；温度变送器3011的输入端与K型热电偶探头2连接，温度变送器3011的输出端与A/D转换器3012的输入端连接，A/D转换器3012的输出端与主控模块302的相应输入端连接。
如图4所示，执行模块303包括放大器3031、第一电阻3032、第二电阻3033和固态继电器3034；放大器3031的基极通过第一电阻3032与主控模块302的相应输出端连接，放大器3031的发射极接地，放大器3031的集电极与第二电阻3033的一端连接，固态继电器3034的输入端与放大器3031的集电极连接，固态放大器3034的输出端与各个上加热瓦片101、下加热瓦片102连接。在控制中，连接放大器集电极的电阻的另一端连接24V的电源，来自于主控模块的控制信号控制24V电源的通断，从而实现固态继电器的通断。当来自主控模块的输入控制信号为0V时，固态继电器处于导通状态，输出24V；当来自主控模块的输入控制信号为大于0V时，固态继电器处于断开状态，输出0V。可进一步优选放大器采用2N3904元件。
上述气压热成型机的温控系统的具体温控过程如下：
温度采集模块301通过温度变送器3011接收K型热电偶探头2检测到的实时温度，并通过A/D转换器3012转化为数值，在主控模块中通过预设的模糊PID算法进行运算，最后通过各个执行模块303发出指令(即是通过放大器3031控制固态继电器3034的通断)，指示相应的上加热瓦片101、下加热瓦片102增加或减少输出功率，从而分别控制第一温区4、第二温区5和第三温区6中所有的上加热瓦片101、下加热瓦片102的总体输出功率。
Claims (7)
1.一种气压热成型机的温控方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）、沿片材的输送方向，将热成型机上的加热区域划分为至少两个温区，每个温区中设有还少一对加热单元；
（2）、在每个温区中选取一个靠近片材的检测位置，分别采集检测位置的实时温度；
（3）、将各个温区的实时温度与片材要求温度进行比较，得出各个温区的温度偏离值，然后通过各个温区的温度偏离值分别控制相应温区中所有加热单元的总体输出功率。
2.如权利要求1所述的温度控制方法，其特征是：所述步骤（3）中，通过模糊PID控制方法控制温区中各个加热单元的总体输出功率。
3.一种气压热成型机的温控系统，包括加热装置、至少两个温度探测装置和温度控制装置，加热装置和温度探测装置均与温度控制装置连接，其特征是：所述加热装置包括多个上加热单元和多个下加热单元；沿片材的输送方向，气压热成型机的加热区域依次设有至少两个温区，每个温区中设有至少一个上加热单元、至少一个下加热单元和一个温度探测装置，温度探测装置设于上加热单元与下加热单元之间。
4.如权利要求3所述的温控系统，其特征是：所述温度控制装置包括至少两个温度采集模块、主控模块和至少两个执行模块；各个温度采集模块和执行模块均与主控模块连接；各个温度采集模块与相应的温度探测装置连接；各个执行模块与相应的上加热单元、下加热单元连接。
5.如权利要求4所述的温控系统，其特征是：所述主控模块为模糊PID控制器。
6.如权利要求4所述的温控系统，其特征是：所述温度采集模块包括温度变送器和A/D转换器；温度变送器的输入端与温度探测装置连接，温度变送器的输出端与A/D转换器的输入端连接，A/D转换器的输出端与主控模块的相应输入端连接。
7.如权利要求4所述的温控系统，其特征是：所述执行模块包括放大器、两个电阻和固态继电器；放大器的基极通过其中一个电阻与主控模块的相应输出端连接，放大器的发射极接地，放大器的集电极与另一个电阻的一端连接，固态继电器的输入端与放大器的集电极连接，固态放大器的输出端与各个上加热单元、下加热单元连接。
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