發(fā)泡擠出機溫控系統(tǒng)的改進

發(fā)泡擠出機溫度控制一般分為兩個控制段，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。對于化學(xué)發(fā)泡工藝而言，由于發(fā)泡劑是在擠出機中緩慢釋放發(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內(nèi)，通過塑煉、混合、溶解而形成均相溶液。

因此，在擠出機的設(shè)計時長徑比較長，一般為上階與下階兩臺串聯(lián)螺桿擠出機組。兩個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)擠出機相同，因此，一般對溫度控制不必過于精確，溫度波動在溫控表或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，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)泡擠出機的后段冷卻系統(tǒng)一般采用水冷卻。實踐證明，發(fā)泡擠出機后段用風(fēng)冷由于冷卻效率不夠會造成溫度正誤差加劇，熱慣性和滯后性增大，有時可達到10℃，甚至更高。

傳統(tǒng)擠出機溫控系統(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。當溫控表給出信號停止加熱時，還會造成一段時間的溫度升高。當冷卻系統(tǒng)停止而加熱器工作，熱傳導(dǎo)的滯后性又會使得實際溫度降低很多。在熱平衡匹配較差的擠出機中，溫度誤差有時會達到10℃以上。但是，擠出機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影響很大的熱源，而剪切熱的精確計算是非常困難的。因為，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)泡擠出機的要求，特別是后段擠出機的要求。因此，必須對傳統(tǒng)溫控系統(tǒng)進行控制上的改進。

因為發(fā)泡擠出機的前段與普通擠出機作用基本相同，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)加熱器的工作時間來控制輸出功率，冷卻系統(tǒng)使用溫控器的超溫報警功能控制風(fēng)機的工作。為了提高后段擠出機的溫度控制精度，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數(shù)溫度控制。

改進后的溫控系統(tǒng)采用PID調(diào)節(jié)的數(shù)字顯示溫控表進行顯示和溫度調(diào)節(jié)，輸出0-10mA作為直流信號輸入，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。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。在超溫時利用溫控表的超溫報警功能觸發(fā)SSR或交流接觸器開啟電磁閥，同時打開冷卻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間，而無法控制實際功率，因為，接通時其輸出功率為全功率輸出，而斷開時即為零。而此控制電路通過可控硅對電流的可控可以達到執(zhí)行元件的實際輸出功率可調(diào)，因此，極大地提高了溫控精度。

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