中南林業(yè)科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 馮 旭 王湘中 張永忠 袁洋波

1.引言

PET（Polythyleneterephthalate，俗稱(chēng)滌綸樹(shù)脂）吹瓶機(jī)是將聚酯材料的瓶坯通過(guò)一定的工藝手段吹制成瓶子的機(jī)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(jī)一般由供坯系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、吹氣系統(tǒng)及其它輔助系統(tǒng)組成。在坯料進(jìn)入模具開(kāi)始拉伸前，其加熱溫度對(duì)坯料的成型起著至關(guān)重要的作用，為了防止瓶身出現(xiàn)發(fā)白、不透明、不均勻等現(xiàn)象，使產(chǎn)品各個(gè)位置的厚度達(dá)到技術(shù)要求，溫度一般在80℃到120℃之間進(jìn)行精確控制。

目前PET吹瓶機(jī)的加熱控制方式主要是交流調(diào)壓和交流調(diào)功來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出加熱功率。交流調(diào)壓在每半個(gè)周波對(duì)晶閘管開(kāi)通相位進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)輸出電壓有效值的調(diào)節(jié)。交流調(diào)功以交流電的周期為基本單位，通過(guò)對(duì)晶閘管的控制來(lái)改變晶閘管通斷周期數(shù)的比，可方便調(diào)節(jié)輸出功率的平均值。文獻(xiàn)[1]提出了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，文獻(xiàn)[2]比較了調(diào)相觸發(fā)與過(guò)零周期波觸發(fā)的優(yōu)缺點(diǎn)，指出調(diào)相觸發(fā)很難實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性調(diào)功。人們用模糊PID控制[3]、內(nèi)模控制[4]、隨機(jī)自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制[5]、變系數(shù)PID調(diào)節(jié)[6]等技術(shù)對(duì)PET吹瓶機(jī)溫度控制進(jìn)行了理論研究、仿真與應(yīng)用。但在實(shí)際中由于這些控制方法計(jì)算量大，在線(xiàn)計(jì)算較難，且外界影響因素較為復(fù)雜，難以滿(mǎn)足實(shí)際工藝要求。

本文針對(duì)PET吹瓶機(jī)加熱系統(tǒng)的特點(diǎn)，立足于產(chǎn)品的具體應(yīng)用，以簡(jiǎn)單實(shí)用為設(shè)計(jì)原則，選用LPC2292作為核心控制器，使用相位觸發(fā)調(diào)功和電壓補(bǔ)償對(duì)加熱功率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了加熱過(guò)程中穩(wěn)定準(zhǔn)確調(diào)節(jié)輸出功率。

2.加熱功率控制原理

2.1 PET吹瓶機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)PET吹瓶機(jī)加熱系統(tǒng)的要求，確定加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機(jī)通過(guò)Profibus總線(xiàn)與14臺(tái)調(diào)功器通信，每臺(tái)調(diào)功器由10路紅外燈管組成加熱器，上位機(jī)控制各調(diào)功器中燈管的輸出加熱功率。上位機(jī)可以設(shè)定調(diào)功器的輸出功率值、控制方式、總線(xiàn)開(kāi)關(guān)、傳感器等參數(shù)，同時(shí)監(jiān)控調(diào)功器的輸出功率、母線(xiàn)電流電壓、過(guò)流過(guò)壓、燈管異常、超溫報(bào)警等信息。

2.2 相位觸發(fā)調(diào)功原理

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始分析階段，在理論上比較分析了交流調(diào)功與交流調(diào)壓方案，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行顯示交流調(diào)功方式存在紅外線(xiàn)燈管閃爍現(xiàn)象，這個(gè)會(huì)影響溫度的穩(wěn)定性，而交流調(diào)壓就不存在這樣的問(wèn)題，故依據(jù)產(chǎn)品需要，選擇了交流調(diào)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱功率的線(xiàn)性跟蹤輸出，同時(shí)，根據(jù)功率量化和電壓量化的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guò)調(diào)節(jié)一對(duì)反向并聯(lián)的單向可控硅VT1、VT2的觸發(fā)角α控制燈絲的發(fā)熱功率，輸入電壓為UAB。如圖3為觸發(fā)角α?xí)rUAB波形圖，設(shè)輸入電壓有效值為UAB。

設(shè)觸發(fā)為α，燈管負(fù)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(shí)際控制時(shí)，加熱功率P0為輸出量，可以根據(jù)輸入U(xiǎn)AB和α來(lái)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(huì)導(dǎo)致所建立的數(shù)組異常龐大，這是移相觸發(fā)調(diào)節(jié)很難實(shí)現(xiàn)的原因之一，為了得到精確的觸發(fā)角，考慮到UAB和α對(duì)輸出功率P0的影響，其算法設(shè)計(jì)分兩步來(lái)實(shí)現(xiàn)，首先設(shè)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(jì)算出對(duì)應(yīng)1000個(gè)輸出觸發(fā)角，將觸發(fā)相位角存放在數(shù)組S[]中，觸發(fā)角量化模型如圖4所示，然后檢測(cè)實(shí)際輸入電壓的大小，與設(shè)定電壓US比較，建立觸發(fā)角補(bǔ)償機(jī)制，從而得到實(shí)際的輸出功率觸發(fā)角。

本系統(tǒng)將交流電壓在半周期內(nèi)嚴(yán)格量化成1000個(gè)點(diǎn)，平均量化精度可達(dá)到1μs，完全可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，設(shè)觸發(fā)時(shí)間為ti，單位為μs，當(dāng)ti從1000μs逐漸減少到0時(shí)，觸發(fā)角慢慢變小，相應(yīng)的輸出功率變大，當(dāng)觸發(fā)時(shí)間點(diǎn)量化計(jì)算滿(mǎn)足關(guān)系式（4）時(shí)，保存相應(yīng)的觸發(fā)值。

圖1 加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 可控硅控制電路簡(jiǎn)圖

圖3 觸發(fā)角α?xí)rUAB波形圖

圖4 觸發(fā)角量化模型

當(dāng)輸入的實(shí)際電壓為Ur時(shí)，相應(yīng)的輸出功率為Pr，則Pr、Ur、α三者的關(guān)系如公式（5）所示，

從公式（5）可知，當(dāng)外部電壓變化時(shí)，實(shí)際輸出功率就會(huì)偏離設(shè)定電壓US下的輸出功率PS。

設(shè)Kc為電壓相位補(bǔ)償系數(shù)，其表達(dá)式為公式（6）所示：

將上位機(jī)設(shè)定輸出的功率轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓相位觸發(fā)時(shí)間序列值時(shí)，在外部輸入電壓降低或升高時(shí)，可以啟動(dòng)電壓相位補(bǔ)償功能，使Kc能對(duì)導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，保證輸出功率的線(xiàn)性跟蹤特性。

圖5 硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖6 主程序結(jié)構(gòu)流程圖

圖7 實(shí)際輸出功率與理論輸出功率圖

綜上所述，即建立如下關(guān)系：

通過(guò)上面的關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)加熱功率的線(xiàn)性跟蹤輸出。

3.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件部分核心控制器采用NXP公司的以ARM7TDMI-S為內(nèi)核的32位微處理器LPC2292作為核心控制器，其功耗極低，性?xún)r(jià)比很高。

該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示，其中檢測(cè)電路包括電流檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)電路、過(guò)零檢測(cè)電路、燈管狀態(tài)檢測(cè)電路，驅(qū)動(dòng)電路由LPC2292發(fā)出控制脈沖，通過(guò)光耦，觸發(fā)可控硅的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)功率的線(xiàn)性輸出。E2PROM選用AT24C02，將LPC2292作為主機(jī)，AT24C02作為從機(jī)，選用I2C總線(xiàn)方式設(shè)定傳感器的參數(shù)。

4.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的程序包括上位機(jī)程序和下位機(jī)程序，上位機(jī)程序主要完成設(shè)定各個(gè)燈管的功率值、控制方式、各種狀態(tài)顯示等，下位機(jī)的主程序結(jié)構(gòu)流程如圖6所示。

5.實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)比較

產(chǎn)品所選紅外線(xiàn)加熱燈管為400V、2kw，在10路紅外線(xiàn)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(dòng)電壓相位補(bǔ)償設(shè)置，使用遠(yuǎn)方智能電量測(cè)試儀PF9811，對(duì)其輸出功率進(jìn)行測(cè)量，得到實(shí)際輸出功率值，計(jì)算理論輸出功率值，將兩者進(jìn)行比較，實(shí)際輸出功率和理論輸出功率關(guān)系如圖7所示。

圖7中實(shí)線(xiàn)為PF9811所測(cè)實(shí)際輸出功率，虛線(xiàn)為理論計(jì)算輸出功率值，在所測(cè)的功率值當(dāng)中，在理論輸出功率為500W時(shí)，實(shí)際輸出為530W，偏離設(shè)定值6%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的誤差最大。其它設(shè)定值誤差均小于6%。

6.結(jié)論

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，在功率調(diào)節(jié)的過(guò)程中，加熱功率對(duì)理論功率呈線(xiàn)性跟蹤輸出，從實(shí)踐中驗(yàn)證了本文所采用的相位觸發(fā)調(diào)功和電壓相位補(bǔ)償?shù)姆椒ㄔ赑ET吹瓶機(jī)加熱功率控制系統(tǒng)中的有效性。

[1]孫玉波,李欣,董靜薇.大功率高精確度數(shù)字調(diào)功器的設(shè)計(jì)[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,11(2):28-34.

[2]陳智,呂義,董乃鳳.調(diào)相觸發(fā)型線(xiàn)性調(diào)功器[J].天津紡織工學(xué)院學(xué)報(bào),2000,19(2):56-58.

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

[4]肖華軍,王欽若,李春明.吹瓶機(jī)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.