姜慧慧，郎新星，洛 春，董 哲

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

真空浸漬是將待浸工件置于密閉的耐壓容器中抽真空，通過(guò)壓差法將浸漬液注入其中，再施加一定的壓力使浸漬液迅速浸透工件的縫隙，達(dá)到徹底浸漬的目的，從而解決產(chǎn)品的殘水率和絕緣性。真空浸漬是精密鑄件，陶瓷材料，高壓電機(jī)、防爆電機(jī)、干式變壓器、電力電容器、電纜、開(kāi)關(guān)等電器和電工材料用于增加絕緣強(qiáng)度的必要工藝措施；是鎂質(zhì)耐火磚、電碳、石墨、金屬鑄件、木材的組織細(xì)化、改善熱特性、電特性的重要工藝手段。在電子元器件行業(yè)用于對(duì)電子元器件進(jìn)行真空浸漬處理，增加其介電性，提高耐腐蝕性，甚至具有密封的特性。廣泛應(yīng)用于電子、建材、食品、紡織等領(lǐng)域。

1 設(shè)備應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能

該設(shè)備的研制主要是應(yīng)用于電容器、變壓器的干燥、脫氣、灌封和絕緣。首先將電容器、變壓器放入到澆注罐加熱，通過(guò)加熱將工件中的水分蒸發(fā)，再抽真空將蒸發(fā)的水份和工件中的氣體排走；對(duì)電容器油或環(huán)氧樹(shù)脂等浸漬料抽真空進(jìn)行脫氣處理，若不對(duì)浸漬料進(jìn)行脫氣處理，則浸漬過(guò)程中浸漬料存有的氣泡會(huì)影響產(chǎn)品的絕緣性；需要進(jìn)行加壓工藝處理的浸漬工件待加壓處理一段時(shí)間后取出產(chǎn)品即可，無(wú)需加壓處理的抽真空結(jié)束后取出即可。這里需要注意的是，如果浸漬料的含水比例占到整個(gè)浸漬液的40%以上時(shí)，會(huì)影響設(shè)備的真空度，含水量越多，對(duì)真空度影響越大，抽真空的時(shí)間就越長(zhǎng)。水在300 Pa的真空下抽一段時(shí)間會(huì)慢慢結(jié)冰，所以要考慮浸漬料的成分配比。

開(kāi)發(fā)研制真空浸漬設(shè)備要實(shí)現(xiàn)的功能流程如圖1所示[1]。

圖1 功能流程圖

2 控制系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的系統(tǒng)功能，控制系統(tǒng)采用PLC的控制方案，由智能儀表及其執(zhí)行器構(gòu)成各自的閉環(huán)控制環(huán)路，來(lái)管理、控制參數(shù)如溫度、壓力和流量等，完成工藝的裝載→脫水、脫氣→加熱→加壓→出爐全過(guò)程。為了避免產(chǎn)生安全隱患，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，設(shè)備在整個(gè)控制過(guò)程中應(yīng)有很強(qiáng)的時(shí)序性和邏輯性，在軟件設(shè)計(jì)中添加互鎖條件，使各動(dòng)作嚴(yán)格確保相互約束或定時(shí)關(guān)系。設(shè)備的軟件控制流程圖如圖2所示。

圖2 控制流程圖

3 加熱系統(tǒng)

加熱工藝對(duì)于浸漬設(shè)備來(lái)說(shuō)是很重要的，加熱可以將工件中的水分充分蒸發(fā)，提高工件在后續(xù)的浸漬過(guò)程中的絕緣性能；加熱也可以將浸漬料中的水汽和雜質(zhì)揮發(fā)；而對(duì)于一些質(zhì)地比較黏稠的浸漬料，加熱可以加速浸漬料的流動(dòng)性，利于工件的浸漬，從而提高絕緣性和防水性。還有一些浸漬料需要加熱到一定溫度才能達(dá)到浸漬工藝要求。例如電容器油，一般需要加熱到70～90℃，但當(dāng)溫度高于90℃時(shí)，電容器油的揮發(fā)性是很大的，持續(xù)的高溫會(huì)帶走氣化的電容器油，一是影響設(shè)備的真空度，二是氣化的電容器油隨著真空管路進(jìn)入泵組，會(huì)影響泵組的壽命，也是對(duì)浸漬料的一種浪費(fèi)。但對(duì)于甲基苯油來(lái)說(shuō)，比電容器油穩(wěn)定，揮發(fā)性較低，可加熱到120℃。相對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)說(shuō)，由于它質(zhì)地黏稠所以必須先經(jīng)過(guò)加熱，讓其液化，才能進(jìn)行浸漬，其次加熱到一定溫度后能夠加速環(huán)氧樹(shù)脂的固化，節(jié)約時(shí)間。

3.1 加熱方式

對(duì)于此真空浸漬設(shè)備的加熱，綜合各方面因素考慮，目前常用的加熱方式有4種，即：加熱袋、加熱板、電加熱管、讓脫氣罐浸入導(dǎo)熱油(或水)中，通過(guò)加熱導(dǎo)熱油(或水)對(duì)其進(jìn)行加熱。4種加熱方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比詳見(jiàn)表1。

表1 加熱方式對(duì)比

如何保證加熱的溫度和效率，加熱器的選擇至關(guān)重要。加熱袋的功率一般較低，達(dá)不到要求，且特別容易損壞，適合體積小加熱溫度低于100℃的罐體，一般小容積的料罐加熱多用加熱袋。加熱板雖然可靠性較好但升溫速率慢，加熱時(shí)間較長(zhǎng)，影響工作效率，而且笨重不易更換。導(dǎo)熱油是均勻性最好的導(dǎo)體，但價(jià)格昂貴且油的散熱速率很慢，影響工件的取出從而降低了工作效率，而且采用導(dǎo)熱油不便于設(shè)備后續(xù)的維修保養(yǎng)；通過(guò)對(duì)這4種加熱方式的對(duì)比，我們可以根據(jù)實(shí)際情況的需要來(lái)選擇不同的加熱方式。加熱方式分為內(nèi)加熱和外加熱，內(nèi)加熱的方式控溫精度相對(duì)于外加熱來(lái)說(shuō)更精確，但內(nèi)加熱的方式是在罐體內(nèi)部安裝加熱器，若在罐體底部安裝加熱器，則需要再安裝一攪拌裝置來(lái)確保溫度均勻性，這種方式不適合該設(shè)備的使用環(huán)境；若在罐體內(nèi)壁安裝加熱器，則需要做好加熱器和操作區(qū)域的隔熱問(wèn)題，雖然可采用水冷的方式，但價(jià)格較貴，同時(shí)還要承受正負(fù)壓的工作環(huán)境，也不適合該設(shè)備的使用環(huán)境。對(duì)于此設(shè)備我們從材料、形狀、加熱功率和許用負(fù)荷等幾方面進(jìn)行綜合考慮，采用了電加熱管的加熱方式。這種加熱方式方便安裝，便于維修更換。這種加熱管沿爐體一圈均勻放置于內(nèi)壁和外壁之間，這樣在結(jié)構(gòu)上和原理上都可以保證爐溫的均勻性，爐體內(nèi)壁和外壁之間有保溫材料進(jìn)行填充，確保爐體的保溫性能，防止熱量大量的散失，影響加熱效率。加熱管的分布如圖3所示：

圖3 加熱部分結(jié)構(gòu)圖

3.2 溫度控制

該設(shè)備加熱和抽真空是同時(shí)進(jìn)行，而真空狀態(tài)下沒(méi)有氣體流動(dòng)，加熱不能依靠氣體的流動(dòng)來(lái)傳遞，只能通過(guò)熱輻射來(lái)傳遞，而且罐體壁的光滑度和潔凈度也會(huì)影響熱輻射的傳遞。我們所采用的加熱管的加熱方式屬于外加熱。相對(duì)于內(nèi)加熱來(lái)說(shuō)外加熱是靠罐體壁將熱量傳遞進(jìn)去，然后通過(guò)熱輻射傳遞熱量，所以外加熱的滯后性比較大，這就是溫度控制的難點(diǎn)所在也是外加熱的弊端所在。因此我們采用PID(Proportion Integral Derivative Control)來(lái)進(jìn)行溫度控制調(diào)節(jié)?？販嘏嘉挥诠摅w內(nèi)部，這樣可以更好的對(duì)爐內(nèi)的溫度進(jìn)行控制。需要注意的是，如果控溫偶緊貼爐壁的話，雖然溫度容易控制，但會(huì)影響爐內(nèi)的實(shí)際溫度和均勻性，所以控溫偶要離爐壁一定距離。溫度控制部分主要由溫度控制單元SR92完成，SR92對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)PID調(diào)節(jié)。當(dāng)通過(guò)熱電偶采集的被測(cè)溫度偏離所希望的給定值時(shí)，PID控制可根據(jù)測(cè)量信號(hào)與給定值的偏差進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算，從而輸出適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，促使測(cè)量值恢復(fù)到給定值，達(dá)到自動(dòng)控制的效果。

根據(jù)PID控制原理，增大比例系數(shù)P將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，它作用于輸出值較快，但不能很好穩(wěn)定在一個(gè)理想的數(shù)值，不良的結(jié)果是雖能有效地克服擾動(dòng)的影響，但有余差出現(xiàn)，過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。積分能在比例的基礎(chǔ)上消除余差，它能對(duì)穩(wěn)定后有累積誤差的系統(tǒng)進(jìn)行誤差修整，減小穩(wěn)態(tài)誤差。微分具有超前作用，對(duì)于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項(xiàng)設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下，對(duì)于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，有著顯著效果，它可以使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，動(dòng)態(tài)誤差減小。綜上所述，P—比例控制系統(tǒng)的響應(yīng)快速性，快速作用于輸出；I—積分控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，消除過(guò)去的累積誤差；D—微分控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有超前控制作用。在調(diào)整的時(shí)候，所要做的任務(wù)就是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)允許的情況下，在這3個(gè)參數(shù)之間權(quán)衡調(diào)整，達(dá)到最佳控制效果，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)快準(zhǔn)的控制特點(diǎn)。

圖4為設(shè)備采用PID溫度控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)后的升溫曲線，Y軸為溫度值，X軸為時(shí)間，可從圖中看出升溫曲線平滑上升，接近PID曲線理想狀態(tài)。

圖4 升溫曲線

3.3 PID控制原理

PID控制原理與程序流程[2]見(jiàn)圖5，模擬控制系統(tǒng)

圖5 基本模擬反饋控制回路

被控量的值由傳感器或變送器來(lái)檢測(cè)，這個(gè)值與給定值進(jìn)行比較，得到偏差，模擬調(diào)節(jié)器依一定控制規(guī)律使操作變量變化，以使偏差趨近于零，其輸出通過(guò)執(zhí)行器作用于過(guò)程，見(jiàn)圖6。

圖6 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖

PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)的偏差比例(P)、積分(I)、微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。

(1)PID調(diào)節(jié)器的微分方程：

式中：e(t)=r(t)-c(t)

(2)PID調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù)：

圖7 DDC系統(tǒng)構(gòu)成框圖

數(shù)字控制系統(tǒng)DDC，見(jiàn)圖7。

DDC(Direct Digital Congtrol)系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)用于過(guò)程控制最典型的一種系統(tǒng)。微型計(jì)算機(jī)通過(guò)過(guò)程輸入通道對(duì)一個(gè)或多個(gè)物理量進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)確定的控制規(guī)律(算法)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)輸出通道直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使各被控量達(dá)到預(yù)定的要求。由于計(jì)算機(jī)的決策直接作用于過(guò)程，故稱為直接數(shù)字控制。目前DDC系統(tǒng)也是計(jì)算機(jī)在工業(yè)應(yīng)用中最普遍的一種形式。

5 結(jié)束語(yǔ)

真空-壓力設(shè)備的研制開(kāi)發(fā)很好地解決了產(chǎn)品的殘水慮，絕緣性等問(wèn)題，同時(shí)浸漬劑可重復(fù)利用，減輕了環(huán)境污染。使用該設(shè)備浸漬產(chǎn)品所需時(shí)間短，效果好，大大提高了生產(chǎn)率。全套設(shè)備可由計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)測(cè)量和控制的全自動(dòng)化。滿足了軍工、航天等行業(yè)特種材料浸漬的需要。隨著浸漬行業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，浸漬設(shè)備必將具有極大的市場(chǎng)空間和發(fā)展前景。

目前正在進(jìn)一步研究采用內(nèi)加熱方式的浸漬設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度更好的控制；同時(shí)也在研發(fā)能夠一人同時(shí)控制多臺(tái)并能實(shí)時(shí)繪制溫度、真空度曲線的浸漬設(shè)備，用來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度、真空度的在線監(jiān)控，利用這些數(shù)據(jù)來(lái)分析爐內(nèi)情況，隨時(shí)調(diào)整爐內(nèi)的溫度、真空度，實(shí)現(xiàn)更高的自動(dòng)化水平，節(jié)約人力成本。

[1]耿濤，閆旭宏.真空-壓力浸漬設(shè)備的研制[M].大科技出版社,2009.

[2]陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1998.