智能化高效含浸机的控制系统设计和实现

何海华，梁国衡

（肇庆信泰机电科技有限公司，广东肇庆 526060）

智能化高效含浸机的控制系统设计和实现

何海华，梁国衡

（肇庆信泰机电科技有限公司，广东肇庆 526060）

采用闭环控制系统、PID控制算法、封闭式液体循环控制和多段速脱液系统等技术的结合，开发一种智能化高效含浸设备。系统通过对温度、压力、时间、速度等数据信息的采集，结合PLC的高速处理，完成对电解电容的铝箔纸进行注液、加热、抽真空、加压、浸液及脱液等流程控制，整个流程可循环，并且循环次数可设。

智能化；电解液；闭环控制；循环系统；PID控制算法

铝电解电容广泛用于电子通信，照明电路，汽车控制电路，电子镇流器、电力电子电路、变频驱动器，焊接设备、开关电源，UPS电源及其它控制电路等。而随着科学技术的发展，社会需求的提高，环境的改善，新型整机的诞生，使铝电解电容器的应用领域不断拓宽，需求量越来越大。

由于铝电解电容器的负电极是由浸过电解质液（液态电解质）的薄纸/薄膜或电解质聚合物构成，因此，智能化高效含浸机作为铝电解电容器自动化生产主要设备之一。其功能把电解液通过高压渗入铝箔纸，其优点是整个过程为全自动监控和控制，并能根据用户的设定，进行多次加压的循环含浸，含浸完成后，自动脱液和回收电解液。

由于电解液为易挥发液体，对环境有一定的污染和对人的皮肤有一定伤害，传统的含浸多为人手操作（装料、取料、加液等直接接触到电解液的工序），使电解液渗透入铝箔纸中。含浸后直接取出在空气中自然晾干。这样导致电解液长期暴露在空气中，对人体和环境造成伤害，并且浪费大量的电解。

因此该设备的研发，主要针对上述的缺点，设计了该智能化高效含浸机，通过PLC、触摸屏、传感器和控制器等，实现全自动监控和控制。该设备全面提升含浸质量、提高含浸效率，还能减少对人体的伤害和环境的污染。该设备的研发对含浸流程具有重大意义。

本文主要论述了设备自动化控制系统的设计、开发和实现过程，并描述控制系统中各个子系统的组成和工作原理。设计的主要目的是设计出具有自动监控和操作、封闭式液体循环、保温、自动脱液以及能循环加压控制系统。

1 智能化控制流程图

图1为该设备的主要流程图，从图中可以看出，设备操作人员只需在开始对设备进行简单的数据调用（预先设定），点击运行，系统便能根据设定的参数，完成整个含浸。

2 控制系统的组成

该设备的控制系统,主要由5个子系统组成,如图2所示。每个子系统均为独立的闭环控制系统，通过主系统的触发，完成相应的操作后，发送反馈信号给主系统。每个子系统的反馈信号都包含有完成信号、状态信号、报警信号等。

图1 智能化控制流程图

图2 系统组成图

2.1 压力控制系统

由于含浸前和入液后，含浸的缸体必须处在负压状态，而含浸过程必须处在高压状态，以达到电解液高效渗透入铝箔纸中。因此压力控制系统必须实时监控缸体压力，并根据压力传感器的反馈信号作相应的输出响应。

压力控制系统主要监控主缸的压力，主要由主缸（耐压缸）、压力传感器、真空泵和流量泵组成，主缸内的压力传感器作为输入反馈信号、连接主缸的真空泵作为负压输出源、连接主缸的流量泵作为正压力输出源（正负输出是相对当地的大气压力），组成了闭环控制系统。

系统选件方面，由于压力控制的范围，负压要求要达到100 Pa,而缸体的体积约为150 L，考虑到抽真空效率，选用流量为28 L/s的真空泵，并设计一个体积约为130 L真空存储缸体，以便让主缸体更快达到需要的真空度；而正压要求达到1.2 MPa，最高压力不能超过1.6 MPa，选用流量为1.6 L/h的流量泵，作为正压的加压源，并设有爆破片，防止因压力过大发生事故。反馈信号方面，采用一个压力传感器检测缸体压力，压力传感器能把压力值转化成电压值输出，再由PLC的模拟量模块进行采集，最后PLC根据采集回来的数据作相应的输出响应，其控制图如图3所示。

图3 压力控制图

图3中，由于缸体的压力一般呈现线形变化，这样，PLC便能实时监控压力传感器反馈回来的数据，根据反馈回来的数据的变化趋势，就能判断缸体内的各种状况（如是否漏气、输出是否正常等）。并依据这些数据作出相应的输出及提示。

选用压力传感器方面，通过以下计算得出压力传感器的最小分辨率。

其中压力传感器反馈的电压信号输出为2～4 V值,而压力传感器最大的检测范围是0～2 MPa，因此，压力和电压的换算计算:

式中：

K1压力和电压的换算比；

Pmax为压力传感器能检测的最大压力值；

Vmax为压力传感器最大压力值的输出电压；

Vmin为压力传感器最小压力值的输出电压。

而PLC模拟量输入采用的是12位输入模块,采集电压为单极性0～5 V，即采集的分辨率为：

式中：

K2为采集模块的分辨率；

V为采集模块能检测的最大电压值；

D为采集模块数据存放位数。

从以上两计算得出，PLC模块通过采集压力传感器反馈回来的电压，可以检测缸体压力的分辨率K3为：

因此其分辨率足够应用于主缸的压力检测。

2.2 加热及保温系统

在含浸过程中，若电解液处在一定高温（约65℃左右），能提高电解液的渗透效果和速度。所以，必须设计一个加热及保温系统，来确保电解液的温度保持在设定温度上。

该系统的硬件主要由发热棒、热电偶、传热油及保温层组成。由于不能对电解液直接加热，所以必须采用隔离加热的方式，发热棒对传热油进行加热，传热油作为传热介质，对缸体的电解液导热，达到加热及保温效果。

控制方面，主要采用PLC的温控模块立缸体内的温度进行控制，发热棒作为加热源、热电偶作为反馈信号，由PLC实现闭环PID控制，能精确控制传热油的温度，从而使电解液的温度可控；并在缸体外加上隔热棉保温，使电解液的温度不易下降，起到节能环保作用。

其中在模拟系统中，PID算法的表达式为：

式中：

P（t）为调节器的输出信号；

e（t）为调节器的偏差信号，它等于测量值与给定值之差；

KP为调节器的比例系数；

TI为调节器的积分时间；

TD为调节器的微分时间。

通过采用PID控制，能把温度稳定在一定范围，从而保证了含浸的质量，使电解液更好地渗透入铝箔纸中。

2.3 电解液循环系统

主要由主缸、储液缸、辅佐缸及控制阀门组成。由于含浸过程要经过多次换液，所以本系统能在封闭的环境下，使电解液在3个缸体之间循环或导出。这不但能节约电解液的用量，还能防止电解液在空气中挥发导致的环境污染。含浸后的电解液经过过滤导出，能再次用于含浸生产，这样做就直接降低生产成本和提高电解液的使用效率，同样有助于减少对环境的污染；而且在循环过程中，能按工艺要求在任意的循环点返回，如此可让循环多样化，不但能提高含浸质量，还能提高含浸效率。其系统图如图4所示。

图4 电解液循环图

2.4 脱液系统

主要由脱液筛网、密封圈、变频器及电机组成，通过PLC的PWM输出，控制变频器的输出频率，从而控制电机转速。

由于含浸后的电解液需要经过晾干，如果在含浸后直接取出晾干，由于元件会残留大量的电解液，不但晾干时间长，而且电解液在空气中挥发对周围环境造成污染，所以，在取出晾干前，直接在主缸内的筛网脱液。通过采用变频电机以多段速度带动晒网旋转，在离心力的作用，可以把残留在元件上的电解液基本除去，多段速度控制可使在旋转过程中的元件所受到的冲击惯性最少，避免元件的损伤，还有助于残留液体较好地清除，然后再取出进一步晾干，这样就大大减少了晾干的时间，而且脱液过程中被甩出来的电解液能通过主缸回收，进一步减少电解液的损耗和对环境的污染，多段速控制流程如图5所示。

图5 脱液流程图

3 结 论

智能化高效含浸机解决传统人手操作含浸问题，提高含浸效率和含浸质量，由于使用了脱液和液体循环系统，从而减少了电解液的用量，节约成本及减少对人体伤害和环境的污染。在设计过程中，较难点为如何准确控制缸体压力以及当加正压时的安全性等。通过对电气件的筛选和对控制系统的优化，实现缸体压力的准确控制。

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[1]王飞，孔庆忠.PLC在步进电机控制驱动器中的应用[J].机械工程与自动化，2006（4）：59-60.

[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2002.8-10.

[3]郁汉琪，郭健.可编程序控制器原理及应用[M].北京：中国电力出版社，2004.

[4]杜坤每，李铁才.电机控制技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002.176.

[5]周霖主.DSP算法设计与系统方案[M].北京：国防工业出版社，2004.206.

[6]韩保广.马达控制领域的DSP应用[J].电子产品世界，1997（7）：29-30.

[7]尔桂花，窦日轩.运动控制系统[M].北京：清华大学出版社，2002：45-52.

[8]王晓明，王玲.电动机的DSP控制：TI公司DSP应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004：23-29.

Intelligent Control System Design and Implementation of High Performance Treating Machine

HE Haihua，LIAN Guoheng
（Zhaoqing honghua electronic technology Co.，Ltd ，zhaoqing 526060，China）

Abstract:Combined with the closed loop control system，PID control algorithm，closed fluid circulation control and multi-speed dewatering system technology，the development of an intelligent and efficient impregnation equipment.System through the temperature，pressure，time，speed data acquisition，high speed processing with PLC，completion of the electrolytic capacitor foil for liquid injection，heating，vacuum，pressure，liquid and liquid flow control，the whole process can be recycled，and the number of cycles.

Keywords:Intelligentize ；Electrolyte；Closed-loop control；Circulatory system；The control algorithm of PID

TN605

B

1004-4507（2013）07-0047-05

2013-06-19

何海华（1982-），男，广东省肇庆人，助理工程师，主要从事自动化设备的电气设计和研发工作。