立式漆包機

立式漆包機是生產漆包電磁線的主要設備,傳統的漆包機控制系統採用模擬儀表和繼電接觸控制方式,控制功能有限。隨着漆包線生產工藝的改進和對產品質量要求的提高,原有的控制方式已不能滿足現代漆包工藝對控制的要求。因此,設計了採用工業控制計算機的漆包機測控系統,較好地滿足了生產的需要 ^[1]  。

立式漆包機採用了熱風循環新工藝。導線以速度v放線後退火、塗漆,經過烘爐各加熱區加熱烘焙,導線漆層中有機溶劑和稀釋劑蒸發出來,漆膜固化烘乾。再由收線裝置收線。漆膜烘焙過程中蒸發出來的有機溶劑蒸氣含有大量的有害氣體,同時又具有很高的燃燒熱值。立式漆包機採用的熱風循環新工藝,對有機溶劑蒸氣進行催化後燃燒,燃燒產生的高温廢氣用風機通過熱風循環系統送到漆包機烘爐內循環,作為烘爐加熱熱源之一替代部分電加熱,有機溶劑蒸氣燃燒後變成了二氧化碳和水,大大降低了廢氣中有害氣體的含量。立式漆包機生產工藝較複雜,要求通過對烘焙温度、燃燒過程以及其他工藝參數的控制,保證漆包線漆膜質量,消除污染,節約能源。並按照各道工序的不同要求,控制設備的運行 ^[1]  。

針對漆包機生產工藝流程和相應的機械設備特點,採用工業控制計算機組成的漆包機測控系統 ^[1]  。

主要是控制烘爐烘焙温度及催化加熱和上、下退火區加熱温度控制。由於採用高温廢氣作為烘爐加熱熱源,烘爐各加熱區之間温度耦合程度加深,增加了控温難度,烘焙控温迴路採用靈活的控制算法,在漆包線成膜過程中,對蒸發、固化等各加熱區嚴格按照給定爐温曲線控制烘焙加熱温度,控温精度±1%,各區控温值可在室温至550°C之間任意設置 ^[1]  。

燃燒控制迴路通過調節鼓風流量和排廢流量維持負壓燃燒,防止有害氣體逸出到空氣中,並使有機溶劑蒸氣充分燃燒 ^[1]  。

順序控制取代繼電接觸控制和手動開關操作,對漆包機系統中各設備的起動、運行、停機過程進行邏輯控制和安全保護 ^[1]  。

對漆包機烘爐温度、爐腔壓力、收線速度等14個測點的模擬量和斷線傳感器、限位開關、熱繼電器等保護器件、設備運行狀態共22個測點的開關量信號進行監視,故障時報警、並可對參數進行設定、查詢和修改 ^[1]  。

工控機系統選用研華工業PC機和有關板卡組成系統配置。PCL-818L:12位單端16通道數據採集卡,轉換速率40KB/S,完全可以滿足控制需要。CLD-789D:16通道小信號放大調理板。PCL-726:6通道D/A輸出卡。PCL-724:24路DI/DO卡 ^[1]  。

(1)加熱區温度用熱電偶測量,熱電偶輸出信號經PCLD-789D放大後,送PCL-818L進行A/D轉換。循環熱風風速採用變頻器調節,加熱電功率採用晶閘管調功控制,共用6組,每組由3個大功率雙向晶閘管模塊組成 ^[1]  。

(2)燃燒區負壓測量採用一體化的擴散硅壓力變送器,輸出信號4～20mA。鼓風流量和排廢流量採用變頻器調速取代原來的擋板節流控制方式,變頻器輸出頻率在自動方式時,由D/A卡的輸出給定,手動方式時,由面板上的電位器控制,電位器自配 ^[1]  。

(3)收線速度用測速發電機測量。排線電機和驅動電機也採用變頻器取代原來的電磁調速器控制轉速,變頻器輸出頻率按工藝要求預置 ^[1]  。

(4)變頻器故障輸出信號、斷線傳感器信號和監控用開關量信號接PCL-724,晶閘管的觸發控制信號也由PCL-724輸出 ^[1]  。

系統中既有工藝參數閉環調節,又有電氣開關量控制,工藝參數變化速率差別很大,許多參數間還存在各種聯繫。根據這些特點,程序設計中採取了兩項措施,一是採用不同的週期對温度、壓力和電機轉速進行採樣和調節。二是根據各參數的特點,採用不同的控制策略來實現控制要求 ^[1]  。

烘爐各加熱區時間常數大,存在非線性,採用熱風循環加熱,使各加熱區温度間相互影響,影響程度還與漆包線線徑、線速等因素有關,要實現完全解耦十分困難。因此係統中烘爐各加熱區温度調節採用模糊控制算法,模糊控制器以温度偏差E和温度偏差變化率EC為輸入變量,輸出變量為U,模糊子集取{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB},論域為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},模糊變量的隸屬函數採用三角形分佈函數,根據操作人員的經驗知識,總結出模糊控制規則,根據模糊控制規則離線計算出控制規則表,實際運行時,每一控制週期中,根據採樣得到的温度偏差和偏差變化率的量化值查表取得當前時刻的控制輸出量的量化值,再乘以比例因子,即可得到最終的輸出控制量。烘爐加熱要耗費大量熱量,立式漆包機有電能和有機溶劑蒸氣燃燒產生的高温廢氣兩種加熱介質,為了充分利用高温廢氣熱量,節省電能,烘爐温度調節採用循環熱風流速和電功率雙操作量執行方式,二操作量對調節器輸出進行分程,利用循環熱風對爐温進行粗調,通過電加熱對爐温進行細調,控温迴路根據加熱區的控温偏差、循環熱風流速和温度動態計算分程點 ^[1]  。

有機溶劑蒸氣燃燒過程中要不斷補充新鮮空氣,以使得廢氣充分燃燒,而鼓入的新鮮空氣過多會影響爐温;烘爐內有機溶劑蒸氣燃燒生成的二氧化碳和水蒸汽等廢氣濃度過高會影響催化效果,但是高温廢氣大量排出也會影響爐温。因此加熱過程中要適當控制排廢量,工藝要求排出的廢氣約佔循環熱風總量的20%左右。調節鼓風流量和排廢流量時,還要維持燃燒區為負壓。綜合上述控制要求,並考慮到燃燒過程中各參數間的相互影響,燃燒控制採用基於爐壓反饋的排廢流量和鼓風流量比值控制方案,控制算法原理。以壓力調節器的輸出作為比值係數,對排廢流量和鼓風流量進行協調控制,使二者流量均勻變化,維持燃燒區壓力穩定,同時引入烘爐温度偏差信號,對排廢流量設定值進行動態校正,以減少對爐温的影響 ^[1]  。

導線塗漆以後在烘爐中受熱烘焙,是塗漆工藝中最重要的階段。在立式爐的下部,溶劑從漆層中揮發出來;在爐子的上部,則發生化學反應而形成絕緣漆膜。導線在爐子下部過分受熱,就會使溶劑沸騰並造成廢品。導線在爐子上部過分受熱,漆層就會發生熱氧化降解現象。而導線在爐子的任何區段受熱不足,交聯和成膜過程都會迅速變慢。因此,爐膛壁沿高度的温度場Tc(h)、供爐中傳熱媒質沿高度的温度場TB(h)和導線塗漆速度V應保持一定的關係,以保證塗漆導線烘焙所需要的温度。爐子下部發熱功率的增加,以及沿爐子整個高度上佈設電熱元件,可以使住24型漆包機的生產效率提高1.3~1.5倍 ^[2]  。

有文獻指出，通過用積分微分方程的數學模型,可以近似解得立式漆包機爐膛壁、熱交換媒質和爐殼的温度;據此確定的漆包機烘爐的温度場,精確度為士13%。從而得出,在現有設備結構條件下,將導線從上導輪不經爐外返回爐膛,是提高生產率和降低能耗的最合理方案 ^[2]  。

隨着塗漆導線在爐中線速的增加,導線在烘爐的溶劑揮發區和固化成膜區所滯留的時間都要縮短。因此,隨着線速的增加,必須提高導線的温度來強化在塗層中的物理一化學過程,以補償導線在爐中滯留時間的減少。然而,在高温下塗層中發生熱氧化降解導致氣體雜質急驟增加的危險性,以及加熱元件、保温材料的工作能力,又限制了導線温度的提高。有文獻指出,由於烘爐温度場的改善而使C-24型漆包機生產效率的提高,是和電能消耗的增加相連繫的 ^[2]  。

因此,為了進一步提高C-24和B-30型漆包機的生產效率,最合理的方案是在現有結構下導線從上導輪不經爐外而重新進入爐膛。這就等於爐長增加了一倍。附圖中曲線可以證明,用上述方案塗制銅線的可能性是有根據的 ^[2]  。

當導線經過漆包爐爐膛返程運動時,重複利用了傳熱媒質在排煙罩區域所散發的熱量;增加了塗漆導線在漆包爐中滯留的時間;導線返程運動時,導線和傳熱媒質的運動方向相反,使得對流熱交換強烈。由於漆包爐的熱平衡得到改善,所以提高了生產率,降低了電能消耗率 ^[2]  。