雙組份高壓聚氨酯發泡機溫度控制系統的設計

　　摘要:介紹了以M SP 430單片機為核心控制部件的雙組份高壓聚氨酯發泡機溫度控制系統的設計，對溫度控制的原理、控制策略及其改進方法進行了詳細的介紹，同時對系統的結構以及軟件實現也作了細致的說明。該系統運用交流調功的方案取得了很好的控制效果，具有很好的穩定性和可靠性。

 

　　目前聚氨酯發泡機有高壓發泡機和低壓發泡機兩種。低壓發泡機只有提料泵一級加壓，壓力低，制造成本相對比較低，但其原料混合效果比較差，發泡質量不穩定，生產效率低，故障率高，且生產過程浪費大;而高壓發泡機是由兩臺柱塞泵將兩種發泡原料Polyp 1}口Iuxryanate泵到灌注槍頭，在槍頭中通過高壓對射達到完全混合，故高壓發泡機較之低壓發泡機有更高的性能和更高的生產效率!”。

 

　　本設備適用于橋而聚氨a噴涂領域。橋而用的雙組份聚氨a涂料的A組份由蓖麻油、甘油、聚丁二烯、分子篩、Can,   Cr203等按比例充分混合制成，B組份為改性MDI  B與A充分混合，立即發生反應，從而制成聚氨酯涂料。涂層常溫下數分鐘固化，堅硬，能經受至少1h /200℃的高溫，附著力良好，特別是疏水性與抗潮性優良，因而可大大減少涂層內產生的氣泡。主要用于外表涂料，特別是混凝土表而涂裝，可經受因車輛通行、氣候、溫度等變化產生的應力，特別適用于橋而有瀝青的混凝土橋蓋板涂料。
 

雙組份高壓聚氨酯發泡機溫度控制系統的設計
 

　　在聚氨a發泡過程中，溫度和壓力是兩個關鍵量。壓力過低時雙組份不能充分混合并且影響發泡速度，過高則對整個設備提出了更高的工藝要求。溫度對發泡速度亦有較大的影響，溫度過高，反應速度加快，相應地要求其它設備和工藝與之相適應;溫度過低，反應變慢、固化時間長，相應地影響生產效率!’一3，。因此在設計過程中根據工藝要求溫度必須控制在(65士1)℃的范圍內。本設計中壓力可以通過設定氣泵每分鐘動作次數來改變，具有較高的靈活性;溫度控制是通過兩個固態繼電器來實現的，采用PD控制，具有響應快、穩定性好的優點。，系統結構

 

　　由6個11}W的加熱管并聯在一起組成的加熱箱，溫度能夠人為設定，并且能夠穩定在設定值(默認為( 65士1) }C )，當外界干擾使溫度超出此規定范圍時能夠迅速恢復，即具有快速響應性。

 

　　控制系統的核心部件采用M SP430系列單片機，它是美國TI公司推出的一款超低功耗功能強大的16位單片機。本系統中采用M SP430F 135單片機，它具有16kB的程序存儲器，512B的數據存儲器，1個高性能的8通道12位A /D轉換器，1個溫度傳感器以及電池低壓時的檢測電路，2個帶有多個捕獲此較寄存器的定時器(帶多路IMM輸出)，1個可實現同步、異步及多址訪問的串行接口，1個模擬比較器，數個可實現方向設置及中斷功能的并行輸入、輸出端口等。利用芯片內置的自動掃描功能，A /D轉換器可以不需要中央處理器的協助而獨立工作，并且將轉換后的數據自動存入緩沖區，使中央處理器的工作負擔大為減輕。

 

　　2溫度控制系統設計

 

　　2. 1溫度控制原理

 

　　溫度的控制即為對加熱器兩端電壓的控制，一般對交流電壓的調節分為調壓和調功兩種。所謂交流調壓就是指在每半個周波內通過對晶閘管開通相位的控制，可以方便地調節輸出電壓的有效值，這種調壓方式廣泛用于燈光控制和異步電動機的軟啟動，也用于異步電機調速，但這種方法的缺點是會對電網電壓造成諧波污染。交流調功和交流調壓的電路形式是完全相同的，只是控制方式不同。交流調功不是在每個交流電源周期都對輸出波形進行控制，而是將負載與交流電源接通幾個整周波，再斷開幾個整周波，通過改變接通周波數與斷開周波數的比值來調節負載所消耗的平均功率。這種電路常用于電爐的溫度控制，因為像電爐這樣的大慣性控制對象，其時間常數往往很大，沒有必要對交流電源的每個周期進行頻繁的控制，只要以周波數為單位進行控制就足夠了，而且這種調壓方式不對電網電壓造成通常意義的諧波污染f41。鑒于以上的分析，在本系統中，筆者采用了第二種調壓方式即交流調功，其溫度控制原理如圖2所示。

 

　　2. 2溫度控制策略

 

　　PD控制在生產過程中是一種普遍采用的控制方法，在冶金、機械、化工等行業中獲得了廣泛的應用!5' o  P D是一種線性控制器它根據給定值叮t)與實際輸出值c(t)構成控制偏差e(t}-r(t)一c(t)，將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，其控制規律為:

 

　　在計算機控制系統中，使用的是數字P}控制器，數字P}控制算法通常分為位置式P}控制算法和增量式P}控制算法。本設計中采用的是位置式。由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量，故需要將式(1)進行離散化處理。用一系列的采樣時刻點kT代表連續時間4以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換:

 

　　2. 3改進的單神經元P}溫度控制器

 

　　本系統由于壓力大，組份流量快，故要求溫度動態性能好，穩態精度高，而且壓力可調會造成系統存在參數時變和負載擾動等被控對象的非線性特性等不確定因素。因此理想的控制策略不僅要求能滿足上述動態和靜態性能，而且還應該具有抑制各種非線性因素對系統的影響。使用傳統的控制算法P}是很難滿足上述要求的。近年來，神經網絡的研究引起了控制界的高度重視，單神經元是基本的控制部件，它只有一個神經元，結構簡單，學習過程比較快，又具有神經網絡的信息綜合、學習記憶和自適應能力，表現出良好的自適應性和魯棒性，本設計采用單神經元PD溫度調節器的設計方法!闊，單神經元的結構如圖3所示。分別對應增量式P}控制器的3個參數K}, K,,凡。這種控制策略是采用增量式的方式，對于本系統要求有快速響應，控制器選擇對式的比較合適。當單神經元控制器采用對式控制器方式，同增量式控制器結構基本一樣，只是控制器的輸入和輸出有了變化。此時神經元的輸入變為:

 

　　4結束語

 

　　M SP430是一款性價比很高的單片機，其豐富的片內硬件資源使系統的外圍電路大大簡化，為系統設計帶來了極大的方便，其12位高精度AD轉換器保證了本設計中溫度的高質量控制。實踐證明，基于M SP430的雙組份高壓聚氨酯發泡機具有控制準確、操作簡單、故障率低等優點，具有很好的應用前景。