发泡挤出机温控系统的改进

发泡挤出机温度控制一般分为两个控制段，前段主要用于物料的熔融、塑化、混炼与混合等，后段用于发泡气体的溶解而形成均相体系、建压与降温。对于化学发泡工艺而言，由于发泡剂是在挤出机中缓慢释放发泡气体的，因此聚合物与发泡剂的混合与溶解是一直发生的。对于物理发泡工艺来说，由于发泡剂是将与聚合物相溶性较差的小分子直接注入挤出机内，通过塑炼、混合、溶解而形成均相溶液。

因此，在挤出机的设计时长径比较长，一般为上阶与下阶两台串联螺杆挤出机组。两个控制段的作用与功能的不同，导致其温控要求也不同。前段的作用与传统挤出机相同，因此，一般对温度控制不必过于精确，温度波动在温控表或PLC超温±(3-5)℃即可满足。后段在完成均相体系建立以后，必须保持均相体系在发泡剂的超临界压力以上而不致于发生相分离，同时，为了使发泡制品的质量稳定必须保证熔体温度控制在一个较小范围内，所以，后段的温度精度要求在±1℃以内。

为了提高降温效率以及将剪切热迅速换出系统，发泡挤出机的后段冷却系统一般采用水冷却。实践证明，发泡挤出机后段用风冷由于冷却效率不够会造成温度正误差加剧，热惯性和滞后性增大，有时可达到10℃，甚至更高。

传统挤出机温控系统采用电阻加热器，具有非线性、大滞后、大惯性特性。虽然采用智能PID算法控制，依然难以消除反应延迟的缺陷。当温控表给出信号停止加热时，还会造成一段时间的温度升高。当冷却系统停止而加热器工作，热传导的滞后性又会使得实际温度降低很多。在热平衡匹配较差的挤出机中，温度误差有时会达到10℃以上。但是，挤出机中除了加热与冷却的热量平衡以外，而剪切热与摩擦热又是一个影响很大的热源，而剪切热的精确计算是非常困难的。因为，剪切热、摩擦热与物料的粘度有很大关系，而高聚物是非牛顿流体，其粘度变化随温度及压力变化而变化。

从以上分析可以看出，传统的温度控制系统无法满足发泡挤出机的要求，特别是后段挤出机的要求。因此，必须对传统温控系统进行控制上的改进。

因为发泡挤出机的前段与普通挤出机作用基本相同，为了降低成本可以仍采用传统的温控形式，即单通道PID控制SSR或EMR来控制加热器的工作，从而调节加热器的工作时间来控制输出功率，冷却系统使用温控器的超温报警功能控制风机的工作。为了提高后段挤出机的温度控制精度，加热元件使用水冷加热器，冷却系统采用水冷却。控制形式使用双通道PID控制可控硅(SCR)来控制加热器与水冷却的输出功率。其控制框图如图3所示。目前国内外生产使用的双向可控硅都是一种五层三端器件，其特性与反向并联的可控硅非常相似，因此，特别适用于交流功率的控制。在交流功率控制方面，应用最广泛最成功的当数温度控制。

改进后的温控系统采用PID调节的数字显示温控表进行显示和温度调节，输出0-10mA作为直流信号输入，控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小，来调节输出功率，完全可以满足要求，投入成本低，操作方便直观并且容易维护。采用双通道PID控制，利用可控硅的导通角改变加热器的电流大小，从而改变加热器的输出功率。在超温时利用温控表的超温报警功能触发SSR或交流接触器开启电磁阀，同时打开冷却PID通道。并且利用可控硅的导通角改变比例调节阀的开度，来改变进入水冷加热器的水的流量，来调节降温的功率。利用可控硅的电流调整输出，可以任意改变加热与冷却的实际功率，并通过双通道PID的双向调节作用大大降低了系统的热惯性和滞后特性，从而使温度误差大大降低。其实在真正意义上，使用SSR或EMR的通断功能仅控制加热器的工作时间，而无法控制实际功率，因为，接通时其输出功率为全功率输出，而断开时即为零。而此控制电路通过可控硅对电流的可控可以达到执行元件的实际输出功率可调，因此，极大地提高了温控精度。

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