基于分時分區控制機制的熱壓成型機加熱系統優化研究

王振超，劉根戰，孫楊，李書鵬，楊俠

（1.武漢工程大學機電工程學院，湖北武漢430200；2.西安航天發動機廠設備動力處，陜西西安710100；3.武漢鑫鼎泰技術有限公司，湖北武漢430200）

基于分時分區控制機制的熱壓成型機加熱系統優化研究

王振超1，劉根戰2，孫楊3，李書鵬1，楊俠1

（1.武漢工程大學機電工程學院，湖北武漢430200；2.西安航天發動機廠設備動力處，陜西西安710100；3.武漢鑫鼎泰技術有限公司，湖北武漢430200）

通過對熱壓成型機生產運作過程分析，對PLC控制系統部分以及加熱板結構進行改造優化，提出了一種基于分時分區控制機制加熱系統，以實現降低熱壓成型機能耗。改造后系統實踐顯示，基于分區分時控制機制熱壓成型機加熱系統節能率可達57.8%.分時分區控制加熱系統可以應用于熱壓成型機節能優化。

熱壓成型機；分區分時；PLC；節能

熱壓成型具有模具便宜，成品厚度均勻等優點，其產品有冰箱門的內襯、汽車擋泥板、汽車底盤、軟質飲水機、標示牌、包裝材料及其他厚度均勻的產品[1]。市場上大部分熱壓成型機是將模型塑料（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。熱壓成型機模塑種類繁多且具有不同的形狀尺寸（如圖1所示）。現有的熱壓成型機大多數是在整個生產過程中開啟所有的加熱管，沒有根據所加熱模塑的尺寸大小和需要的加熱功率進行調整，導致熱壓成型機耗能嚴重。通過在某模塑公司現場調查后還發現工人離開熱壓成型機時為了保持預熱效果，通常不會斷開加熱管電源，最終使耗能更加嚴重。為解決以上問題，對熱壓成型機引入分時分區控制理論，研發出基于分區分時控制機制加熱系統。該系統可以根據模塑具有的實際尺寸調整加熱范圍，實現按需加熱、節能環保[2-4]。

圖1 部分模塑實物圖

1 熱壓成型機加熱系統

1.1 熱壓成型機結構及加熱系統工作原理

LC-Z-4060型熱壓成型機結構如圖2所示，該設備的最主要工作原理如下：

初始起動時，接通電源開啟加熱板（4）上的加熱燈管進行預熱，放入模塑在下模具（6）里，通過觸摸屏（2）控制PLC電氣控制系統開啟電動機（8），使加熱板托架（7）帶動加熱板（4）前進到模具上進行加熱，工人按照經驗開啟電動機（8）反轉帶動加熱板返回初始位置，當加熱板完全到達初始位置時起動氣缸（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，系統監測到信號可停止上壓板下降防止出現安全問題）。壓模設定時間結束后，上壓板返回初始位置結束單件生產工藝，等工人取出壓好的模塑后，放入下一個模塑進行產品成型，重復以上步驟，直到設備停止運行。

2熱壓成型機主體結構示意圖

通過上述熱壓機運行過程以及現場生產過程的觀察，原系統控制生產工藝流程可總結為圖3所示的流程。

圖3 原生產工藝流程循環圖

由于上述熱壓成型機在生產過程中加熱系統的加熱燈管全時段通電，設備整個運行過程中的有效加熱時間短，造成大量電能損耗。

1.2 控制系統優化目標

根據現場的生產工藝要求，升級改造之后設備控制需達到如下幾點要求：

（1）加熱板燈管需要預熱；

（2）模塑加熱在一定時間之內；

（3）加熱版托架完全返回初始位置上壓板才開始下降；

（4）控制系統需要“自動運行”以及“手動控制”兩種操作模式；

（5）生產的數量需要計數且可以清零；

（6）安全光柵正常運作，防止出現生產事故；

（7）加熱系統實現分時分區控制。

1.3 優化后控制系統的組成

為滿足工藝要求，對原有的電氣部分以及加熱板結構改造后控制系統保留原有的上模升降壓模系統、加熱數量顯示及計數系統和加熱板電機正反轉控制系統，新增加加熱分時控制系統和加熱燈管組的分區加熱控制系統。

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

圖4 主電路設計圖

2 加熱分區控制系統設計

2.1 加熱分區控制系統原理

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個加熱區域。如圖5所示為加熱分區控制系統原理圖。該系統主要由觸摸屏、PLC、接觸器和多個加熱燈管組組成，圖5中一為中央燈管管組，二和三為中央加熱管組兩側相互對稱且加熱管數量一致的加熱燈管管組，每個加熱燈管組的主線路均設有一個接觸器，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。通過觸摸屏設定加熱區域：當模塑尺寸較大時可以選擇開啟中央加熱管組以及兩側對稱的若干個加熱燈管組（一和二區或一、二和三區同時開啟），使加熱范圍滿足模塑尺寸；當模塑尺寸較小時僅需要開啟中央加熱燈管組（一區），通過以上分區系統控制可以有效降低生產過程中的加熱能耗。

圖5 加熱分區控制系統圖

2.2 加熱板結構改造

原設備加熱板如圖6所示，加熱板上現有的加熱管一般都是兩端帶有導線安裝在加熱板上，這種安裝方式在更換燈管時需要耗費時間去拆線，并且加熱板在前進后退過程中震動時加熱管容易損壞。為解決以上加熱燈管分區控制以及加熱管存在的問題，采用一種新型碳纖維加熱管，并設計一種加熱燈管快速裝卸結構。

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螺紋的圓柱銅頭組成[6]。銅座安裝在不同長度的導電銅條上來實現加熱燈管的分區控制。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動過程中出現燈管振動和位移，還可以方便加熱管的拆卸更換。以上述LC-Z-4060型熱壓成型機的加熱板為例，通過合理計算可將原本加熱板上24支加熱燈管分組編為中央一區8支，分組二區左右各4支，分組三區同二區左右各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 加熱分時控制系統設計

以原設備為基準，整個單件模塑生產過程加熱管耗能時間按如下公式（1）計算：

式中，t1為加熱燈管預熱時間；t2為電機帶動加熱板前進到加熱位時間，加熱板退回初始位置時間；t3為模塑加熱時間；t4為上模下降時間；t5為壓模設定時間；t6為上模上升時間；t7為工人取件時間；

模塑的成型受固化溫度、固化時間、固化壓力、升溫速度、加熱時間和加壓時間等多因素影響，目前市場上主要依靠工人多次試驗，采用經驗來設定加熱板的加熱時間以及壓模時間[8]。分時控制加熱系統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間降低能耗。選用的碳纖維遠紅外電加熱管具有如下特點[9]：

（1）電氣性能穩定，升溫速度極快。碳纖維電熱管通電以后，在頻繁啟動，關閉和長期連續工作中，功率穩定在一定公差范圍之內，不會產生任何的瞬時功率沖擊。通電5 s內，就能達到額定功率。

（2）電-熱轉換效率高，比一般金屬發熱體節能30%以上。

（3）使用壽命長。碳纖維電熱管在頻繁啟動，關閉和長期連續工作中，發熱體無氧化和擊穿現象，發熱光色均勻。

故針對碳纖維經加熱管的優點進行節能優化，通過斷開原設備非加熱段加熱燈管電源來減小無效加熱時間，提高加熱覆蓋率進行節能降耗，則改造后生產工藝流程循環如圖7所示。

圖7 改造后生產工藝流程循環圖

通過PLC軟件設置控制圖4中接觸器KM1，KM2，KM3線圈通電，實現加熱燈管的分時控制。分時控制系統將整個工藝流程分為加熱段與非加熱段。加熱段即在原有的基礎上將加熱管的預熱與加熱板的前進同時進行，當加熱板到達加熱位置時碳纖維加熱燈管已經完成預熱以及模塑的預熱，節約加熱管自身的預熱時間以及減少加熱板停留的加熱時間，有效節能。非加熱段即加熱板停留的加熱時間達到設定加熱時間后，同時開啟電機反轉以及斷開加熱管組的電源，減少非有效加熱時間達到節能效果。

在原有的豐煒PLC系統上重新設計系統控制程序，加熱分時分區控制加熱系統部分PLC梯形圖如圖8所示。

圖8 部分程序梯形圖

改造后，單件模塑生產過程加熱管耗能時間按如下公式（2）計算：

由于基于分時分區控制系統的熱壓成型機生產工況分為3種不同情況（一區加熱、一二區加熱、一二三區加熱），其最小節能率（η）可按一二三區加熱管全開用如下公式（3）計算：

通過設置PLC在觸摸屏上顯示出的加熱管預熱時間t1為2 s，電機帶動加熱板前進到加熱位時間t2為2 s，上模下壓時間t4為1.75 s，上升時間t6為1.85 s，工人取件的平均時間t7為1 s.模塑加熱時間與材料厚度種類有關，計算最小節能率選擇生產過程中最大模塑加熱時間t3為3 s，設定的壓模時間t5為3 s.代入公式（3）即：

改造完成后整體實物如圖9所示。

圖9 改造后設備圖

4 結束語

加熱系統優化之后，通過實踐顯示其節能效果之后可得出如下結論：

（1）優化后的加熱系統可以降低熱壓成型機能耗。

（2）基于分時分區控制機制加熱系統既滿足不同區域不同時間的加熱需求，又能合理的降低熱能的消耗和避免不必要的浪費，達到節能的效果。分時分區控制機制系統在熱壓成型機中值得推廣應用。

[1]紀良波，李永志，陳愛霞.基于神經網絡和遺傳算法的塑料熱壓成型多目標優化[J].塑料，2012，41（3）：90-93.

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

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

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

[5]吳宏岐，秦少軍，劉霞，等.熱壓成型機PLC控制系統設計[J].電氣自動化，2010，32（4）：44-46.

[6]楊俠，王振超.武漢工程大學.一種熱壓成型機加熱燈管快速裝卸結構：中國.CN201520657555.3[P].2016-1-6.

[7]穆連波，張春蕾，王炳南，等.供熱系統分時分區控制節能實測分析[J].暖通空調，2013，43（6）：109-112.

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[9]錢存東.碳纖維電加熱管在節能燈生產企業的應用[J].電力需求側管理，2012，14（2）：23-24.

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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，研究方向為過程控制。