变频式液压塑胶中空成型机控制技术研究与应用

1 引言 在世界能源日益枯竭的今天，节能早已被人们放在突出位置。与世界上一些能源丰富的国家相比，中国是一个能源短缺国。然而我们在能源特别是能源的最主要的利用形式电力方面的利用率却很低，存在触目惊心的浪费现象。在新产品开发﹑新设备研制以及原有设备的改造上，必须将能耗作为重要指标予以关注。塑胶行业是21世纪的朝阳行业。然而由于其产品主要是通过加热，加压等物理方法生产，从而决定了它的生产方式的高能耗特点。对于高能耗的塑胶制品设备，如何节电，已成为提升产品竞争力的一个重要手段。 资料表明，业内普遍采用的塑胶中空成型机型式有PLC控制气动单/双工位中空成型机和液压单/双工位中空成型机。根据不同的产品原料，分别采用不同类型的机器;根据产品的档次、质量，配以特殊的辅助设备。比如，用于吹制表面带珠光的主付螺杆绞料系统以及用于自动调整型胚壁厚的“壁厚控制器”，用于吹塑成形之中将制品商标纸同时融贴在制品表面的“模内自动贴标机”，用于同时检查制品耐压、试漏的附属检测器械等等。 来自德国和日本的技术表明，高档次塑胶中空成型机无一不是将当今各种最新工业控制技术融汇其中。比如，采用微电脑自动调配色母的添加系统;采用组态软件的工控机系统，利用WINDOWS丰富的软件资源及硬件系统配置开发出个性化的人机界面，将整机各种参数，如温度控制参数，挤出速度参数，型胚壁厚薄调节参数，各工步的压力，速度等等与产品质量，产量相关的所有参数均集成于系统控制中，随机调用，在线修改。不过，代表世界一流水准的该类机器在价格上也令人咤舌，售价一般在30万至100万元以上。在市场经济环境，全面衡量一台设备的优劣还有一个标准是性能价格比，简称“性价比”。然而只有优质，高效，低耗的设备，才有可能获得高性价比。以德国某公司售价130万元的塑胶中空成型机为例，其高能耗运作的缺憾成为众多欲上档次的客户望而却步的唯一理由。就国内状况而言，大量存在的还是中低档次的机型。 在市场经济环境下，尤其是在市场经济发达的珠江三角洲地区，塑胶行业竞争日趋激烈。可以这样说，谁拥有高性价比的一流设备，谁就有可能生产出极具竞争力的高性价比的产品。谁就有可能赢得市场。市场这只无形之手，将如何改进，提高现有中空成型机的性能，怎样才能优质高效低耗这一课题摆在了我们面前。 2 变频式液压塑胶中空成型机 基于十余年生产现场经验，作者在实践中对各种不同类型的塑胶中空成型机的性能作了深入的调查研究，并由此有针对性地对各种档次的中空成型机进行了局部或整机的改造，提出了变频式液压塑胶中空成型机的构想。 2.1 塑胶中空成型机工作原理及特性 根据驱动方式的不同，塑胶中空成型机可以分为气动式和液压式两类。无论采用哪种方式，都是将模具送至接胶位，接取胶胚后再回到吹制位，通过吹针将5-6Mpa的压缩空气引入模腔将胶胚吹制成形。PLC控制气动单/双工位塑胶中空成型机采用了全气动驱动，反应快，效率高，但正是由于采用了气动方式，根据公式F=P·S。其中Ｆ为锁模力，Ｐ为系统工作气压，Ｓ为活塞有效面积。由此可知，当系统工作压力为一定值时，锁模力与活塞有效面积成正比。一旦确定了缸径，锁模力也就确定了。以缸径150mm为例，在6MPa的工作压力下，只能产生10.38KN的力。所以此类机型仅适合500ml以下的瓶子。同时需要指出的是，由于采用全气动，间接增加了用风量，若将风泵的耗电量及其维修保养费折算进去，其产品单耗是相当高的。 由上可知，若要生产500ml以上容量的容器，只有采用液压油缸的合模系统。利用液压系统可以产生足够的压力，保证各种大容积产品的生产及质量。但当今最先进的液压伺服系统价格依然不菲。如日本油研公司采用EFRG-03-125-C-50型比例压力流量控制阀售价在7000元左右，一台行程仅为14mm、缸径120mm的伺服油缸售价过万元。尽管采用比例式压力、流量控制系统价格不菲，且液压系统耗电量是整机用电量的30%左右，但其优良的动态特性足以保证产品的质量稳定，所以依然获得了广泛应用[1、2]。 根据测算，除外部提供的供风系统外，整机能源消耗，以挤出机螺杆直径为70mm的液压双工位机为例，在以PE(聚氯乙烯)为原料生产4500ml容器时，电热加温占整机耗电量的22.6%，挤出机运料系统马达为11kW，约占53%，液压系统是7.5kW马达，约占24.4%。在液压单工位机中，当生产280ml容积的PE料产品时，液压系统耗电占整机耗电量的41.35％，电热占42.33％,挤出机运料系统(已改变频驱动)耗电占16.32%。目前绝大多数中空成型机厂家的做法都是仅在挤出机运料系统中将滑差电机调速改为变频调速。 2.2 变频式中空成型机工作原理 综上所述，如何将液压系统的耗电量降下来，就成了新一代高效节能液压系统的关键问题。传统控制理论注重系统稳定性的方法往往是首先确保有一个稳定系统的存在，在系统稳定性发生变化时再以PID之类方法进行调节。定压式液压系统就是其典型代表。其代价就是高能耗。比例式液压系统较前者已有很大进步，然而，从比例压力比例流量阀的结构可知，依然是上述思路的延伸，只是以内部溢流的方式尽量加大阀门开度而已。而现代控制理论则更注重动态稳定和动态调节。众所周知，变频调速是一种高效率、高性能的调速方法，特别适用于笼型异步电机。脉宽调制(PWM)技术，矢量控制技术，无速度传感器技术的发展和应用使得交流电机变频调速在许多场合已经大量取代直流调速系统。从目前工控领域的发展现状看，它也代表着电力驱动的水平与方向。随着各种大功率智能型电力电子器件的不断问世和计算机技术的飞速发展，变频调速技术愈加成熟。其动态响应速度和过载能力已经能够满足一般液压系统动态稳定性的要求，其价格已下降到用户普遍可以接受的程度[3]。由此，我们在液压控制系统中融入变频调速技术，将传统的定量泵转化为“变量泵”，变回流式调节为容积式调节，根据生产中各工艺流程“按需分配”，从而达到高效节电之目的。其控制原理如图1所示。 图1 变频式液压中空成型机控制原理方框图 由图1可知，整机能源消耗由四部分组成，分别为中空成型机加温系统，挤出机构，比例式液压系统和压缩空气源。其中除压缩空气源为外部系统提供外，其余均由该机的动力用电提供。该机与目前常见的中空成型机不同之处在于增加了2个环节，一个是保温系统，另一个是带D/A转换器和同步控制器的变频式液压系统。关于保温系统，仅在发热管部分塗复一种复合硅酸盐保温材料，约30mm厚，因该材料无腐蚀性，隔热性能优良且容重轻。仅此一举，加温系统节电30%。因保温系统十分简单，故不在本文重点讨论之列。 本文重点论述的是带D/A转换器和同步控制器的变频式液压系统。未引入“变频调速”概念前，比例式液压系统的控制方式如图2所示。 图2 无变频调速的比例式液压系统控制方式 图2中i1为比例流量控制信号，OUT2为0－1A的驱动电流控制比例流量阀，用以调节系统中各工艺动作的速度;i2为比例压力控制信号，OUT2为0－1A的驱动电流控制比例压力阀，用以调节系统中各工艺动作所需的压力。 该系统的最大特点是结构简单。由于省去了溢流阀式定压系统中的每个动作所需的调速阀、减压阀、节流阀、背压阀等。系统中每一个动作的压力﹑速度等均可在极限条件下作任意设定。 众所周知，在一个有效工作循环周期内，每一个工艺动作，由于压力速度的不同，在做有效功的同时，将电机轴传递给油泵的总功率中的无效功部分以内部溢流的形式消耗掉。这部分无效功率在定量泵系统中是无法节省的，即使是比例压力流量式的液压系统，情况也一样。由此引带出该类液压系统许多固有的缺陷，如油温问题，油阀因高温液压油稀释而后引起的磨损和内部洩漏造成系统工作不正常的问题等。特别是在系统需要高压时，该缺陷暴露得更加明显。 然而，当我们引入“变频调速”概念后，情况就发生了变化。变频式液压系统的控制方式如图3所示。 比较图2和图3可知，引入“变频调速”概念只需增加一个多路D/A信号转换器和一个同步信号装置，而价格昂贵的比例压力流量阀及比例压力、比例流量电子板均可以省掉，仅需换上一个廉价的定压式手调压力阀即可。此时，原定量泵在“变频调速”控制下，已巧妙转化为一个性能优异的变量泵系统。我们知道，从理论上讲变量泵系统是不作无效功的。这正是我们要求的“按需分配”系统。 这里简要介绍变频调速控制的变量泵系统工作原理。液压系统的动力源是油泵，属泵类负载。系统中流量Q与油泵的转速你n1 成正比。即 Q=Kq-n2 式中Kq为流量比例常数, 可以通过改变油泵的转速n1来调节流量Q。负载的阻转矩T1与转速间的关系可用下式表示 Tl＝T0+Kr×n^2l 式中T0为损耗转矩，如忽略T0则阻转矩Tl的大小和油泵转速的平方n^2l成正比。电机耗用功率(即负载功率)可由下式计算: Pl＝Tl×nL/9550 将(1)、(2)代入(3),并整理之,得: Pl＝P0＋Kp×Q^3 式中, P0为损耗功率, 为功率比例常数,若忽略损耗功率P0，则耗用功率PL与流量的立方Q^3成正比。 在液压系统中，流量Q是我们的控制对象。系统中各工艺动作的快慢都是通过调节流量Q来实现的。目前, 调节流量Q的方法有2种。方法1是电机转速恒定，调节阀门开度;方法2是阀门开度恒定, 调节电机转速。在图4中画出了电机耗用功率随流量变化的关系。采用方法1时，电机耗用功率随流量变化不大(用图中曲线1表示);采用方法2时，根据公式(4)得到电机耗用功率随流量变化的曲线2。当所<