PET吹瓶机加热功率控制系统设计

中南林业科技大学计算机与信息工程学院 冯 旭 王湘中 张永忠 袁洋波

1.引言

PET（Polythyleneterephthalate，俗称涤纶树脂）吹瓶机是将聚酯材料的瓶坯通过一定的工艺手段吹制成瓶子的机器，用以吹制矿泉水瓶、各种碳酸饮料瓶以及多种瓶装的塑料中空容器。PET吹瓶机一般由供坯系统、加热系统、吹气系统及其它辅助系统组成。在坯料进入模具开始拉伸前，其加热温度对坯料的成型起着至关重要的作用，为了防止瓶身出现发白、不透明、不均匀等现象，使产品各个位置的厚度达到技术要求，温度一般在80℃到120℃之间进行精确控制。

目前PET吹瓶机的加热控制方式主要是交流调压和交流调功来实现输出加热功率。交流调压在每半个周波对晶闸管开通相位进行控制，实现输出电压有效值的调节。交流调功以交流电的周期为基本单位，通过对晶闸管的控制来改变晶闸管通断周期数的比，可方便调节输出功率的平均值。文献[1]提出了电路拓扑结构的优化方案，文献[2]比较了调相触发与过零周期波触发的优缺点，指出调相触发很难实现线性调功。人们用模糊PID控制[3]、内模控制[4]、随机自适应预测控制[5]、变系数PID调节[6]等技术对PET吹瓶机温度控制进行了理论研究、仿真与应用。但在实际中由于这些控制方法计算量大，在线计算较难，且外界影响因素较为复杂，难以满足实际工艺要求。

本文针对PET吹瓶机加热系统的特点，立足于产品的具体应用，以简单实用为设计原则，选用LPC2292作为核心控制器，使用相位触发调功和电压补偿对加热功率进行控制，实现了加热过程中稳定准确调节输出功率。

2.加热功率控制原理

2.1 PET吹瓶机系统结构

根据PET吹瓶机加热系统的要求，确定加热系统结构如图1所示。上位机通过Profibus总线与14台调功器通信，每台调功器由10路红外灯管组成加热器，上位机控制各调功器中灯管的输出加热功率。上位机可以设定调功器的输出功率值、控制方式、总线开关、传感器等参数，同时监控调功器的输出功率、母线电流电压、过流过压、灯管异常、超温报警等信息。

2.2 相位触发调功原理

在系统设计的初始分析阶段，在理论上比较分析了交流调功与交流调压方案，现场运行显示交流调功方式存在红外线灯管闪烁现象，这个会影响温度的稳定性，而交流调压就不存在这样的问题，故依据产品需要，选择了交流调压来实现加热功率的线性跟踪输出，同时，根据功率量化和电压量化的实验结果，选择了效果较好的电压量化。

如图2所示为可控硅控制电路原理图，电路通过调节一对反向并联的单向可控硅VT1、VT2的触发角α控制灯丝的发热功率，输入电压为UAB。如图3为触发角α时UAB波形图，设输入电压有效值为UAB。

设触发为α，灯管负载的有效电压为U0，电流有效值为I0，由图3所示波形可得：

由（1）、（2）式得输出功率P0为：

实际控制时，加热功率P0为输出量，可以根据输入UAB和α来确定。由式（3）可知，由于其加热功率输出为一超越方程，难以得到解析解，即使得到解析解，但由于外部电压是变化的，会导致所建立的数组异常庞大，这是移相触发调节很难实现的原因之一，为了得到精确的触发角，考虑到UAB和α对输出功率P0的影响，其算法设计分两步来实现，首先设定在输出功率PS，输入电压US的条件下，依照公式（4）精确量化计算出对应1000个输出触发角，将触发相位角存放在数组S[]中，触发角量化模型如图4所示，然后检测实际输入电压的大小，与设定电压US比较，建立触发角补偿机制，从而得到实际的输出功率触发角。

本系统将交流电压在半周期内严格量化成1000个点，平均量化精度可达到1μs，完全可以满足设计要求，设触发时间为ti，单位为μs，当ti从1000μs逐渐减少到0时，触发角慢慢变小，相应的输出功率变大，当触发时间点量化计算满足关系式（4）时，保存相应的触发值。

图1 加热系统结构图

图2 可控硅控制电路简图

图3 触发角α时UAB波形图

图4 触发角量化模型

当输入的实际电压为Ur时，相应的输出功率为Pr，则Pr、Ur、α三者的关系如公式（5）所示，

从公式（5）可知，当外部电压变化时，实际输出功率就会偏离设定电压US下的输出功率PS。

设Kc为电压相位补偿系数，其表达式为公式（6）所示：

将上位机设定输出的功率转换成对应的电压相位触发时间序列值时，在外部输入电压降低或升高时，可以启动电压相位补偿功能，使Kc能对导通时间进行相应的调整，保证输出功率的线性跟踪特性。

图5 硬件结构简图

图6 主程序结构流程图

图7 实际输出功率与理论输出功率图

综上所述，即建立如下关系：

通过上面的关系即可实现加热功率的线性跟踪输出。

3.控制系统硬件设计

硬件部分核心控制器采用NXP公司的以ARM7TDMI-S为内核的32位微处理器LPC2292作为核心控制器，其功耗极低，性价比很高。

该系统的硬件结构简图如图5所示，其中检测电路包括电流检测电路、温度检测电路、电压检测电路、过零检测电路、灯管状态检测电路，驱动电路由LPC2292发出控制脉冲，通过光耦，触发可控硅的导通，实现功率的线性输出。E2PROM选用AT24C02，将LPC2292作为主机，AT24C02作为从机，选用I2C总线方式设定传感器的参数。

4.控制系统软件设计

本系统的程序包括上位机程序和下位机程序，上位机程序主要完成设定各个灯管的功率值、控制方式、各种状态显示等，下位机的主程序结构流程如图6所示。

5.实验测量数据比较

产品所选红外线加热灯管为400V、2kw，在10路红外线灯管中，选择其中一路灯管，使其输出功率从1%增加到100%，每次增加1%，启动电压相位补偿设置，使用远方智能电量测试仪PF9811，对其输出功率进行测量，得到实际输出功率值，计算理论输出功率值，将两者进行比较，实际输出功率和理论输出功率关系如图7所示。

图7中实线为PF9811所测实际输出功率，虚线为理论计算输出功率值，在所测的功率值当中，在理论输出功率为500W时，实际输出为530W，偏离设定值6%，此时对应的误差最大。其它设定值误差均小于6%。

6.结论

经过实验数据分析可知，在功率调节的过程中，加热功率对理论功率呈线性跟踪输出，从实践中验证了本文所采用的相位触发调功和电压相位补偿的方法在PET吹瓶机加热功率控制系统中的有效性。

[1]孙玉波,李欣,董静薇.大功率高精确度数字调功器的设计[J].哈尔滨理工大学学报,2006,11(2):28-34.

[2]陈智,吕义,董乃凤.调相触发型线性调功器[J].天津纺织工学院学报,2000,19(2):56-58.

[3]蒋峰,吴雷,惠晶,赵冉.基于DSP的智能数字三相交流调压调功器的研制[J].电力电子技术,2007,41(11):58-60.

[4]肖华军,王钦若,李春明.吹瓶机加热炉温度控制的建模与仿真[J].控制工程,2009,16(S2):46-48.

[5]Ya-Ling Chang,Ching-Chih Tsai.Stochastic Adaptive Predictive Temperature Control for PET Blow Molding Machines[A].ICIEA 2010,5th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applicationsis[C].2010:143-148.

[6]Zhenhua Zhao,Jingsong Zeng,Wei Zhou.Application of Fuzzy Control with PID in Plastics Temperature Control of Hollow Molding Machine[A].ICICIC 2009,Fourth International Conference on Innovative Computing,Information and Control[C].2009:1009-1012.