发泡模具电加热安装基板及恒温控制系统开发

　　摘要：本文设计一种应用于发泡模具的温控系统, 包括控制器、温度传感器、触摸屏、报警器、电加热设备和冷却设备;控制器分别与温度传感器、触摸屏、报警器、电加热设备和冷却设备电连接;温度传感器用于检测发泡模具内部的温度, 触摸屏用于实现人机交互, 报警器用于提示系统发生异常, 电加热设备用于加热发泡模具, 冷却设备用于冷却发泡模具, 控制器根据温度传感器检测的温度以及触摸屏的指令来控制报警器、电加热设备和冷却设备工作。本系统能够高精度、快速响应地进行温度控制, 具有良好的保温效果。

　　目前世界上发泡隔热技术发展很快, 比如采用环戊烷、141b做无氟发泡剂, 采用细微孔发泡工艺及中嵌真空断热技术等。目前国内厂家主要采用的是环戊烷发泡, 环戊烷易爆、易燃, 对设备和场地的安全性能要求较高。泡沫塑料是由大量气体微孔分散于固定塑料中而形成的一类高分子材料, 具有质轻、隔热、吸音、减震等特性, 且介电性能优于基体树脂, 用途很广。几乎各种塑料均可做成泡沫塑料, 发泡成型已经成为塑料加工中一个重要领域。例如, 装在大型冷柜制冷机组的泡沫塑料对制冷机组起到保温作用, 能够有效阻止外界热空气进入箱体。目前的大型冷柜制冷机组的泡沫塑料在发泡成型过程中因发泡模具的背板温度控制波动过大导致保温效果不理想, 因此有迫切需要设计一种应用于发泡模具的具有高精度、快速响应的温度控制系统。冷柜制冷机发泡工艺过程中背板温度控制波动过大往往导致保温效果不理想, 各家冰箱、冷柜生产厂家加大研发力度, 希望设计出一种发泡模具电加热安装基板及恒温控制系统。

　　1、模具电加热基板设计

　　电加热设备包括基板、电加热丝和盖板。基板采用Q253普通钢材, 使其能够承受聚氨酯材料发泡时产生的膨胀力。在基板上刻制三道安装槽, 然后在三道安装槽内分别安装3根耐压380 V、功率为1.5 k W的电加热丝, 安装槽深5 mm, 安装电加热丝时, 需要在电加热丝和安装槽的空隙涂上导热脂以减少热阻。在基板开槽的一侧, 外贴3 mm的用来固定电加热丝的盖板, 盖板可以是通过焊接固定的形式与基板贴合, 也可以通过螺钉固定来与基板合为一体。在盖板的外侧焊接冷却水管, 冷却水管通过冷却水来对发泡模具进行冷却降温。冷却水管采用铜管, 包括两根直径为12 mm的主管道以及若干直径为9 mm的支管, 两根主管道之间并列连接若干支管, 主管道和支管均直接焊接在盖板上, 通过满缝焊接来增强冷却水管与基板之间的接触, 减少传热热阻。将上述组装好的设备安装在原来发泡模具支架的框架上, 框架上的安装部位是两根工字钢, 每根工字钢与基板靠6个螺栓连接。

图1 电加热设备安装设计图

　　2、恒温控制系统总体设计

　　发泡模具恒温基板本身是一个大惯性, 大滞后的设备, 在被发泡机组拆装及发泡过程中会有大量的冷热负荷交变输入, 而且在发泡过程中系统散热量极小, 因此单纯的电加热温控系统无法抑制发泡时化学反应所产生的热量, 而导致温度控制超调造成大的温度波动。基于目前的被控对象设备特性, 拟采用电加热与水冷却综合温控系统。在温度控制系统运行时主要依靠基板内嵌电加热进行温度控制, 由于被控温基板面积较大, 为避免单点温度反馈引起控温基板温度的布均匀, 系统设计在基板上划分不同区域设置采样点, 对基板温度进行分区监控。当基板温度出现超调时系统设置冷却水箱进行强制降温, 使基板的温度回到控制的范围内, 保证控温基板的温度稳定。

　　温度控制硬件系统主要包含两部分:一是电加热基板。由于发泡厚度等差异导致在机组发泡过程各个部位发热量差异较大, 因此在发泡模具中基板均匀内嵌电加热同时在其内部设置多温区采样点, 保证温度控制过程中同一基板不同位置的温度均匀性。二是冷却水系统。由于对机组发泡的化学过程中其本身即散发大量的热量, 尤其在夏天会造成被控温度过大超调而偏离设定值, 因此系统设置冷却水系统, 当超调工况发生且电加热停止时系统自动运行冷却泵, 并开启对应基板供冷电磁阀带走多余的热量, 基板温度降低至设定温区时自动停止冷却系统。冷却水系统原理图如图2所示。

图2 发泡模具恒温控制冷却系统原理图

图3 温控系统原理图

　　温控系统如图3, 包括控制器PLC、温度传感器PT1000、加热高温保护器、加热过载保护器、漏电保护器、相序保护器、触摸屏HMI、报警器和执行器SSR, 控制器分别与温度传感器PT1000、加热高温保护器、加热过载保护器、漏电保护器、相序保护器、触摸屏、报警器和执行器电连接;其中执行器SSR包括电加热器和冷却设备, 控制器PLC分别与电加热设备和冷却设备电连接;温度传感器PT1000用于检测发泡模具内部的温度, 触摸屏HMI用于实现人机交互, 报警器用于提示系统发生异常, 电加热设备用于加热发泡模具, 冷却设备用于冷却发泡模具, 加热高温保护器用于电路达到设定温度时自动断开电路;加热过载保护器用于电路超过设定电流时自动断开电路;漏电保护器用于电路出现漏电故障时切断电路, 防止人身触电危险;相序保护器用于自动相序判别, 避免因电源相序接反后导致事故发生;控制器PLC根据温度传感器PT1000、加热高温保护器、加热过载保护器、漏电保护器和相序保护器的反馈信息以及触摸屏HMI的指令信息来控制报警器、电加热设备和冷却设备工作。

　　3、结论

　　(1) 冷却外循环包括若干支路, 分别用于冷却不同的发泡模具;所述冷却外循环的若干支路上以及所述冷却内循环上均设置有开关阀门, 所述开关阀门以及所述冷却泵均由所述控制器自动控制。

　　(2) 实现自动化控制, 具有良好的延展性, 能够同时控制不同发泡模具的温度过程。

　　(3) 温控系统包括加热高温保护器、加热过载保护器、漏电保护器和相序保护器, 加热高温保护器、加热过载保护器、漏电保护器和相序保护器分别与所述控制器电连接;加热高温保护器用于电路达到设定温度时自动断开电路;加热过载保护器用于电路超过设定电流时自动断开电路;漏电保护器用于电路出现漏电故障时切断电路, 防止人身触电危险;相序保护器用于自动相序判别, 避免因电源相序接反后导致事故发生。

　　(4) 此温控系统, 能够高精度、快速响应地进行温度控制, 具有良好的保温效果。今后的工作将改良温度控制系统, 进一步提高其控制性能。

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