發(fā)泡擠出機(jī)溫控系統(tǒng)的改進(jìn)

發(fā)泡擠出機(jī)溫度控制一般分為兩個(gè)控制段，前段主要用于物料的熔融、塑化、混煉與混合等，后段用于發(fā)泡氣體的溶解而形成均相體系、建壓與降溫。對(duì)于化學(xué)發(fā)泡工藝而言，由于發(fā)泡劑是在擠出機(jī)中緩慢釋放發(fā)泡氣體的，因此聚合物與發(fā)泡劑的混合與溶解是一直發(fā)生的。對(duì)于物理發(fā)泡工藝來說，由于發(fā)泡劑是將與聚合物相溶性較差的小分子直接注入擠出機(jī)內(nèi)，通過塑煉、混合、溶解而形成均相溶液。

因此，在擠出機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)長(zhǎng)徑比較長(zhǎng)，一般為上階與下階兩臺(tái)串聯(lián)螺桿擠出機(jī)組。兩個(gè)控制段的作用與功能的不同，導(dǎo)致其溫控要求也不同。前段的作用與傳統(tǒng)擠出機(jī)相同，因此，一般對(duì)溫度控制不必過于精確，溫度波動(dòng)在溫控表或PLC超溫±(3-5)℃即可滿足。后段在完成均相體系建立以后，必須保持均相體系在發(fā)泡劑的超臨界壓力以上而不致于發(fā)生相分離，同時(shí)，為了使發(fā)泡制品的質(zhì)量穩(wěn)定必須保證熔體溫度控制在一個(gè)較小范圍內(nèi)，所以，后段的溫度精度要求在±1℃以內(nèi)。

為了提高降溫效率以及將剪切熱迅速換出系統(tǒng)，發(fā)泡擠出機(jī)的后段冷卻系統(tǒng)一般采用水冷卻。實(shí)踐證明，發(fā)泡擠出機(jī)后段用風(fēng)冷由于冷卻效率不夠會(huì)造成溫度正誤差加劇，熱慣性和滯后性增大，有時(shí)可達(dá)到10℃，甚至更高。

傳統(tǒng)擠出機(jī)溫控系統(tǒng)采用電阻加熱器，具有非線性、大滯后、大慣性特性。雖然采用智能PID算法控制，依然難以消除反應(yīng)延遲的缺陷。當(dāng)溫控表給出信號(hào)停止加熱時(shí)，還會(huì)造成一段時(shí)間的溫度升高。當(dāng)冷卻系統(tǒng)停止而加熱器工作，熱傳導(dǎo)的滯后性又會(huì)使得實(shí)際溫度降低很多。在熱平衡匹配較差的擠出機(jī)中，溫度誤差有時(shí)會(huì)達(dá)到10℃以上。但是，擠出機(jī)中除了加熱與冷卻的熱量平衡以外，而剪切熱與摩擦熱又是一個(gè)影響很大的熱源，而剪切熱的精確計(jì)算是非常困難的。因?yàn)?，剪切熱、摩擦熱與物料的粘度有很大關(guān)系，而高聚物是非牛頓流體，其粘度變化隨溫度及壓力變化而變化。

從以上分析可以看出，傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)無法滿足發(fā)泡擠出機(jī)的要求，特別是后段擠出機(jī)的要求。因此，必須對(duì)傳統(tǒng)溫控系統(tǒng)進(jìn)行控制上的改進(jìn)。

因?yàn)榘l(fā)泡擠出機(jī)的前段與普通擠出機(jī)作用基本相同，為了降低成本可以仍采用傳統(tǒng)的溫控形式，即單通道PID控制SSR或EMR來控制加熱器的工作，從而調(diào)節(jié)加熱器的工作時(shí)間來控制輸出功率，冷卻系統(tǒng)使用溫控器的超溫報(bào)警功能控制風(fēng)機(jī)的工作。為了提高后段擠出機(jī)的溫度控制精度，加熱元件使用水冷加熱器，冷卻系統(tǒng)采用水冷卻。控制形式使用雙通道PID控制可控硅(SCR)來控制加熱器與水冷卻的輸出功率。其控制框圖如圖3所示。目前國內(nèi)外生產(chǎn)使用的雙向可控硅都是一種五層三端器件，其特性與反向并聯(lián)的可控硅非常相似，因此，特別適用于交流功率的控制。在交流功率控制方面，應(yīng)用最廣泛最成功的當(dāng)數(shù)溫度控制。

改進(jìn)后的溫控系統(tǒng)采用PID調(diào)節(jié)的數(shù)字顯示溫控表進(jìn)行顯示和溫度調(diào)節(jié)，輸出0-10mA作為直流信號(hào)輸入，控制可控硅電壓調(diào)整器或觸發(fā)板改變可控硅管導(dǎo)通角的大小，來調(diào)節(jié)輸出功率，完全可以滿足要求，投入成本低，操作方便直觀并且容易維護(hù)。采用雙通道PID控制，利用可控硅的導(dǎo)通角改變加熱器的電流大小，從而改變加熱器的輸出功率。在超溫時(shí)利用溫控表的超溫報(bào)警功能觸發(fā)SSR或交流接觸器開啟電磁閥，同時(shí)打開冷卻PID通道。并且利用可控硅的導(dǎo)通角改變比例調(diào)節(jié)閥的開度，來改變進(jìn)入水冷加熱器的水的流量，來調(diào)節(jié)降溫的功率。利用可控硅的電流調(diào)整輸出，可以任意改變加熱與冷卻的實(shí)際功率，并通過雙通道PID的雙向調(diào)節(jié)作用大大降低了系統(tǒng)的熱慣性和滯后特性，從而使溫度誤差大大降低。其實(shí)在真正意義上，使用SSR或EMR的通斷功能僅控制加熱器的工作時(shí)間，而無法控制實(shí)際功率，因?yàn)?，接通時(shí)其輸出功率為全功率輸出，而斷開時(shí)即為零。而此控制電路通過可控硅對(duì)電流的可控可以達(dá)到執(zhí)行元件的實(shí)際輸出功率可調(diào)，因此，極大地提高了溫控精度。

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