PET吹瓶機加熱功率控制系統設計

中南林業科技大學計算機與信息工程學院 馮 旭 王湘中 張永忠 袁洋波

1.引言

PET（Polythyleneterephthalate，俗稱滌綸樹脂）吹瓶機是將聚酯材料的瓶坯通過一定的工藝手段吹制成瓶子的機器，用以吹制礦泉水瓶、各種碳酸飲料瓶以及多種瓶裝的塑料中空容器。PET吹瓶機一般由供坯系統、加熱系統、吹氣系統及其它輔助系統組成。在坯料進入模具開始拉伸前，其加熱溫度對坯料的成型起著至關重要的作用，為了防止瓶身出現發白、不透明、不均勻等現象，使產品各個位置的厚度達到技術要求，溫度一般在80℃到120℃之間進行精確控制。

目前PET吹瓶機的加熱控制方式主要是交流調壓和交流調功來實現輸出加熱功率。交流調壓在每半個周波對晶閘管開通相位進行控制，實現輸出電壓有效值的調節。交流調功以交流電的周期為基本單位，通過對晶閘管的控制來改變晶閘管通斷周期數的比，可方便調節輸出功率的平均值。文獻[1]提出了電路拓撲結構的優化方案，文獻[2]比較了調相觸發與過零周期波觸發的優缺點，指出調相觸發很難實現線性調功。人們用模糊PID控制[3]、內模控制[4]、隨機自適應預測控制[5]、變系數PID調節[6]等技術對PET吹瓶機溫度控制進行了理論研究、仿真與應用。但在實際中由于這些控制方法計算量大，在線計算較難，且外界影響因素較為復雜，難以滿足實際工藝要求。

本文針對PET吹瓶機加熱系統的特點，立足于產品的具體應用，以簡單實用為設計原則，選用LPC2292作為核心控制器，使用相位觸發調功和電壓補償對加熱功率進行控制，實現了加熱過程中穩定準確調節輸出功率。

2.加熱功率控制原理

2.1 PET吹瓶機系統結構

根據PET吹瓶機加熱系統的要求，確定加熱系統結構如圖1所示。上位機通過Profibus總線與14臺調功器通信，每臺調功器由10路紅外燈管組成加熱器，上位機控制各調功器中燈管的輸出加熱功率。上位機可以設定調功器的輸出功率值、控制方式、總線開關、傳感器等參數，同時監控調功器的輸出功率、母線電流電壓、過流過壓、燈管異常、超溫報警等信息。

2.2 相位觸發調功原理

在系統設計的初始分析階段，在理論上比較分析了交流調功與交流調壓方案，現場運行顯示交流調功方式存在紅外線燈管閃爍現象，這個會影響溫度的穩定性，而交流調壓就不存在這樣的問題，故依據產品需要，選擇了交流調壓來實現加熱功率的線性跟蹤輸出，同時，根據功率量化和電壓量化的實驗結果，選擇了效果較好的電壓量化。

如圖2所示為可控硅控制電路原理圖，電路通過調節一對反向并聯的單向可控硅VT1、VT2的觸發角α控制燈絲的發熱功率，輸入電壓為UAB。如圖3為觸發角α時UAB波形圖，設輸入電壓有效值為UAB。

設觸發為α，燈管負載的有效電壓為U0，電流有效值為I0，由圖3所示波形可得：

由（1）、（2）式得輸出功率P0為：

實際控制時，加熱功率P0為輸出量，可以根據輸入UAB和α來確定。由式（3）可知，由于其加熱功率輸出為一超越方程，難以得到解析解，即使得到解析解，但由于外部電壓是變化的，會導致所建立的數組異常龐大，這是移相觸發調節很難實現的原因之一，為了得到精確的觸發角，考慮到UAB和α對輸出功率P0的影響，其算法設計分兩步來實現，首先設定在輸出功率PS，輸入電壓US的條件下，依照公式（4）精確量化計算出對應1000個輸出觸發角，將觸發相位角存放在數組S[]中，觸發角量化模型如圖4所示，然后檢測實際輸入電壓的大小，與設定電壓US比較，建立觸發角補償機制，從而得到實際的輸出功率觸發角。

本系統將交流電壓在半周期內嚴格量化成1000個點，平均量化精度可達到1μs，完全可以滿足設計要求，設觸發時間為ti，單位為μs，當ti從1000μs逐漸減少到0時，觸發角慢慢變小，相應的輸出功率變大，當觸發時間點量化計算滿足關系式（4）時，保存相應的觸發值。

圖1 加熱系統結構圖

圖2 可控硅控制電路簡圖

圖3 觸發角α時UAB波形圖

圖4 觸發角量化模型

當輸入的實際電壓為Ur時，相應的輸出功率為Pr，則Pr、Ur、α三者的關系如公式（5）所示，

從公式（5）可知，當外部電壓變化時，實際輸出功率就會偏離設定電壓US下的輸出功率PS。

設Kc為電壓相位補償系數，其表達式為公式（6）所示：

將上位機設定輸出的功率轉換成對應的電壓相位觸發時間序列值時，在外部輸入電壓降低或升高時，可以啟動電壓相位補償功能，使Kc能對導通時間進行相應的調整，保證輸出功率的線性跟蹤特性。

圖5 硬件結構簡圖

圖6 主程序結構流程圖

圖7 實際輸出功率與理論輸出功率圖

綜上所述，即建立如下關系：

通過上面的關系即可實現加熱功率的線性跟蹤輸出。

3.控制系統硬件設計

硬件部分核心控制器采用NXP公司的以ARM7TDMI-S為內核的32位微處理器LPC2292作為核心控制器，其功耗極低，性價比很高。

該系統的硬件結構簡圖如圖5所示，其中檢測電路包括電流檢測電路、溫度檢測電路、電壓檢測電路、過零檢測電路、燈管狀態檢測電路，驅動電路由LPC2292發出控制脈沖，通過光耦，觸發可控硅的導通，實現功率的線性輸出。E2PROM選用AT24C02，將LPC2292作為主機，AT24C02作為從機，選用I2C總線方式設定傳感器的參數。

4.控制系統軟件設計

本系統的程序包括上位機程序和下位機程序，上位機程序主要完成設定各個燈管的功率值、控制方式、各種狀態顯示等，下位機的主程序結構流程如圖6所示。

5.實驗測量數據比較

產品所選紅外線加熱燈管為400V、2kw，在10路紅外線燈管中，選擇其中一路燈管，使其輸出功率從1%增加到100%，每次增加1%，啟動電壓相位補償設置，使用遠方智能電量測試儀PF9811，對其輸出功率進行測量，得到實際輸出功率值，計算理論輸出功率值，將兩者進行比較，實際輸出功率和理論輸出功率關系如圖7所示。

圖7中實線為PF9811所測實際輸出功率，虛線為理論計算輸出功率值，在所測的功率值當中，在理論輸出功率為500W時，實際輸出為530W，偏離設定值6%，此時對應的誤差最大。其它設定值誤差均小于6%。

6.結論

經過實驗數據分析可知，在功率調節的過程中，加熱功率對理論功率呈線性跟蹤輸出，從實踐中驗證了本文所采用的相位觸發調功和電壓相位補償的方法在PET吹瓶機加熱功率控制系統中的有效性。

[1]孫玉波,李欣,董靜薇.大功率高精確度數字調功器的設計[J].哈爾濱理工大學學報,2006,11(2):28-34.

[2]陳智,呂義,董乃鳳.調相觸發型線性調功器[J].天津紡織工學院學報,2000,19(2):56-58.

[3]蔣峰,吳雷,惠晶,趙冉.基于DSP的智能數字三相交流調壓調功器的研制[J].電力電子技術,2007,41(11):58-60.

[4]肖華軍,王欽若,李春明.吹瓶機加熱爐溫度控制的建模與仿真[J].控制工程,2009,16(S2):46-48.

[5]Ya-Ling Chang,Ching-Chih Tsai.Stochastic Adaptive Predictive Temperature Control for PET Blow Molding Machines[A].ICIEA 2010,5th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applicationsis[C].2010:143-148.

[6]Zhenhua Zhao,Jingsong Zeng,Wei Zhou.Application of Fuzzy Control with PID in Plastics Temperature Control of Hollow Molding Machine[A].ICICIC 2009,Fourth International Conference on Innovative Computing,Information and Control[C].2009:1009-1012.