(武漢大學(xué)，湖北 武 漢 430070)

固化爐廣泛用于玻璃鋼成型工藝中，其加熱固化是玻璃鋼成型的重要工序。在玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料的固化過(guò)程中，需要外供熱量，因?yàn)殡S著聚合反應(yīng)的進(jìn)行，位阻效應(yīng)和活化能增高，不加熱則不能使聚合反應(yīng)進(jìn)行完全，產(chǎn)品性能就達(dá)不到使用要求。此外，也為了加快反應(yīng)速度，提高生產(chǎn)效率。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)玻璃鋼制品的生產(chǎn)廠家有很多，但是大多數(shù)固化爐的結(jié)構(gòu)都過(guò)于簡(jiǎn)陋。與普通工業(yè)加熱爐不同的是，它有許多特殊要求。但在產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中，并未嚴(yán)格按照產(chǎn)品的基本體系與結(jié)構(gòu)尺寸的不同，來(lái)選取合適的固化爐，往往是混亂使用。因此，要解決這個(gè)問(wèn)題，除了遵循使用要求和改進(jìn)原有固化爐外，還得根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)需要和實(shí)際情況，來(lái)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓袒癄t。以新型固化爐設(shè)備的研制，取代過(guò)去老式設(shè)備，雖然說(shuō)這種設(shè)備的研制使用還只是剛剛起步，但相關(guān)行業(yè)的飛速發(fā)展，必將促使其得到更廣泛的推廣應(yīng)用。

1 固化爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 爐型的選擇

此次設(shè)計(jì)中，工件的尺寸為Φ 300 mm×1 600 mm，布置方式為雙工位。立爐最大尺寸一般為1 500 mm，較適合于連續(xù)玻璃布的生產(chǎn)。而臥式爐則沒(méi)有這方面的限制。所以設(shè)計(jì)爐體采用臥式爐。其具體結(jié)構(gòu)如圖1和圖2。

圖1 固化爐主視圖

圖2 固化爐俯視圖

1.2 爐體各部結(jié)構(gòu)

爐體主體采用方型框架整體結(jié)構(gòu)，爐壁為雙層金屬夾層，內(nèi)壁設(shè)有不銹鋼屏，外部鋪設(shè)碳鋼鋼板，框架是槽鋼，起支承和維護(hù)作用；中間是保溫層，用硅藻土，也可填充其他輕質(zhì)保溫材料，如石棉質(zhì)、礦渣棉等材料；內(nèi)層是耐火層，所用材料是粘土耐火磚或高鋁磚；兩側(cè)垂直布置多排導(dǎo)風(fēng)板。

加熱器采用電阻加熱，均勻地放置于爐壁夾層之間，爐內(nèi)部裝有控溫?zé)犭娕佳b置，爐頂采用平頂結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)有特殊的曲面風(fēng)道，爐門(mén)厚度一般比爐墻保溫層薄，設(shè)有觀察裝置，門(mén)開(kāi)關(guān)處均有膠條密封，爐上設(shè)有熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)。爐底用硅藻土磚砌成，再在其上鋪一層普通紅磚，爐底厚度一般為25～50 mm。爐架由側(cè)立柱、端立柱、橫向拉桿、縱向拉桿等組成，用以承受爐體溫度應(yīng)力、拱頂產(chǎn)生的水平推力，以及可能作用在爐體上的各種外力。同時(shí)也用于安裝各種輔助機(jī)構(gòu)。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

針對(duì)大容積箱式固化爐熱循環(huán)及溫度控制的特殊要求，我們做了以下設(shè)計(jì)：

（1）固化爐截面溫差的大小，是衡量其品質(zhì)的重要參數(shù)，容積越大，溫差越大。為減少截面溫差，我們采用雙循環(huán)風(fēng)道系統(tǒng)，該系統(tǒng)加熱元件為對(duì)稱(chēng)布置，這樣可使發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量被充分置換后，進(jìn)人爐腔內(nèi)循環(huán)，且循環(huán)路線短，溫差小。在結(jié)構(gòu)方面，爐頂設(shè)計(jì)有特殊的曲面風(fēng)道，爐體兩側(cè)垂直布置多排導(dǎo)風(fēng)板，以使?fàn)t腔（特別是死角處）各點(diǎn)獲得均勻的循環(huán)風(fēng)，最大限度地減小了爐內(nèi)溫差。

（2）作為易損件的循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)和加熱元件，設(shè)計(jì)做了特殊處理，將風(fēng)葉以及軸、支承、鏈輪、隔熱層等，制作成一體的標(biāo)準(zhǔn)模塊，這樣可迅速地進(jìn)行模塊更換；使用帶有特殊結(jié)構(gòu)的加熱元件，就能夠方便快捷地從爐頂抽出，從而實(shí)現(xiàn)了不停爐的動(dòng)態(tài)維修，使?fàn)t內(nèi)溫度基本恒定。

（3）采用新型專(zhuān)用電路組成的多功能智能儀表，具有理想的控制特性。采用FUZZY-PID算法對(duì)電爐實(shí)現(xiàn)溫度控制，具有抗積分飽和功能及反作用選擇，并且根據(jù)需要還可加入多種功能。儀表配有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232或RS-422串行通信接口，可與上位機(jī)（PLC或PC）聯(lián)機(jī)，形成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)或分散控制系統(tǒng)。

2 電機(jī)速度的控制

2.1 電磁調(diào)速控制器原理

本設(shè)計(jì)固化爐內(nèi)的電機(jī)采用一種可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩?zé)o級(jí)調(diào)速的電磁調(diào)速電機(jī)。選用YCTD112－4A型電磁調(diào)速三相異步電機(jī)：

額定功率P＝1.1 kW；

額定轉(zhuǎn)矩T＝7.1 N·m；

額定調(diào)速范圍100～1 250 r/min；

要求工件轉(zhuǎn)動(dòng)在5～20 r/min可調(diào)。

采用數(shù)字控制，利用一套由交流三項(xiàng)異步電機(jī)、滑差離合器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和電子控制器等部分構(gòu)成的交流調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置，能在比較寬廣的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速。

電機(jī)采用單片機(jī)的電磁調(diào)速電機(jī)控制器。本設(shè)計(jì)使用的電磁調(diào)速控制器，采用數(shù)字控制技術(shù)，它由單片機(jī)、轉(zhuǎn)速表數(shù)碼管顯示器、轉(zhuǎn)速預(yù)置按鍵、移相觸發(fā)器和可控硅整流電路組成，原理框圖如圖3。

圖3 電磁調(diào)速電機(jī)控制器原理框圖

2.2 控制方法的主要優(yōu)點(diǎn)

采用這種電機(jī)控制方法，主要優(yōu)點(diǎn)有：

（1）以單片機(jī)為整個(gè)控制器的核心，轉(zhuǎn)速表受單片機(jī)控制，能真實(shí)準(zhǔn)確地測(cè)出電磁調(diào)速電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速；

（2）轉(zhuǎn)速表和電磁調(diào)速電機(jī)的測(cè)速發(fā)電機(jī)相連接，靠計(jì)算測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出的脈沖數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)速；數(shù)碼管顯示器由兩排數(shù)碼管組成，每排包括4個(gè)數(shù)碼管?？娠@示4位數(shù)字，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速值是從1～9 999 r/min，一排數(shù)碼管用來(lái)顯示預(yù)置的轉(zhuǎn)速，另一排顯示電機(jī)輸出的真實(shí)轉(zhuǎn)速；

（3）轉(zhuǎn)速預(yù)置按鍵在預(yù)置轉(zhuǎn)速的同時(shí)，可以一邊按輕觸鍵一邊觀看數(shù)碼管顯示器的數(shù)值，當(dāng)數(shù)碼管顯示的數(shù)值和所需要預(yù)置的數(shù)值一樣時(shí)，說(shuō)明達(dá)到設(shè)定值，準(zhǔn)確方便；

（4）軟啟動(dòng)裝置在每次電機(jī)重新啟動(dòng)時(shí)，預(yù)置數(shù)都自動(dòng)回零，不用人工手調(diào)，待一段延時(shí)主電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，才可以允許預(yù)置工作，很方便地保護(hù)了電機(jī)。

3 溫度的控制

3.1 電爐溫度控制系統(tǒng)

在固化爐工藝參數(shù)中，溫度具有決定性的影響，溫度控制精度直接影響著產(chǎn)品品質(zhì)，要防止由于溫度不勻而使產(chǎn)品表面出現(xiàn)“花斑”，或由于表面已干而內(nèi)部未干透出現(xiàn)“硬殼”現(xiàn)象。本設(shè)計(jì)中要求固化溫度在25～300℃可調(diào)，采用FUZZY-PID算法對(duì)電爐實(shí)現(xiàn)溫度控制。

該系統(tǒng)是由8051單片機(jī)、溫度檢測(cè)放大電路、鍵盤(pán)/顯示器、掉電檢測(cè)與保護(hù)、雙向晶閘管過(guò)零檢測(cè)與觸發(fā)、聲光報(bào)警與自動(dòng)/手動(dòng)等電路組成，溫度全量程0～1 600℃，分辨率為0.1℃（見(jiàn)圖4）。

圖4 電爐溫度控制系統(tǒng)主程序框圖

該系統(tǒng)主要由晶閘管過(guò)零檢測(cè)與觸發(fā)電路，溫度檢測(cè)電路，鍵盤(pán)/顯示器電路三大電路組成。控制系統(tǒng)電路采用單片機(jī)8051為核心構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。單片機(jī)的FUZZY-PID控制算法，對(duì)檢測(cè)到電爐的溫度參數(shù)進(jìn)行處理，直接輸出PWM控制信號(hào)，經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)控制電爐的電壓。爐溫經(jīng)傳感器檢測(cè)放大后，信號(hào)進(jìn)人8051單片機(jī)的輸入端，形成閉環(huán)控制。

該系統(tǒng)的軟件主要由監(jiān)控程序、PWM控制程序、閉環(huán)溫度FUZZY控制程序、增量PID控制程序及溫度采樣程序等組成，其主程序框圖如圖4所示。其子程序有：

（1）監(jiān)控程序。監(jiān)控程序由鍵盤(pán)管理程序、溫度顯示程序、系統(tǒng)自檢程序等組成。

（2）閉環(huán)溫度控制程序。由求偏e(n)和偏差變化率ec(n)、數(shù)據(jù)量化算法、FUZZY-PID控制算法、溫度控制曲線組成。

（3）溫度采樣程序。實(shí)驗(yàn)電阻爐經(jīng)傳感器熱電偶檢測(cè)的溫度信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器，然后通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換送人8031單片機(jī)的輸入端。

3.2 系統(tǒng)防干擾措施

本系統(tǒng)采用模板式結(jié)構(gòu)，從軟硬件兩個(gè)方面增加了一些防干擾措施。

（1）采用三級(jí)穩(wěn)壓及電源干擾抑制器；

（2）主機(jī)板單獨(dú)供電；

（3）I/O通道均采用光電隔離；

（4）軟件采用防尖峰數(shù)值濾波。

3.3 控制方案的主要優(yōu)點(diǎn)

此溫度控制方案的主要優(yōu)點(diǎn)有：實(shí)現(xiàn)了雙向晶閘管的過(guò)零觸發(fā)，克服了常規(guī)方法補(bǔ)償誤差大和補(bǔ)方便的缺點(diǎn)，以及采用了抗干擾措施提高了系統(tǒng)的可靠性等，提高了整個(gè)水處理膜殼固化裝置的工作效率，并為其正常工作提供了有力的保證。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)大部分固化處理設(shè)備的應(yīng)用效果，還不夠理想，關(guān)鍵還是在于必須注重更新先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，以新型固化爐設(shè)備的研制，取代過(guò)去老式設(shè)備。本設(shè)計(jì)就是這方面的一種嘗試，它采用多種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和先進(jìn)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了固化爐性能的提升，提高了效率、精度和可靠性，這種研制使用還只是剛剛起步，但相關(guān)行業(yè)的飛速發(fā)展必將促使其得到更廣泛的推廣應(yīng)用。

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