双组份高压聚氨酯发泡机温度控制系统的设计

　　摘要:介绍了以M SP 430单片机为核心控制部件的双组份高压聚氨酯发泡机温度控制系统的设计，对温度控制的原理、控制策略及其改进方法进行了详细的介绍，同时对系统的结构以及软件实现也作了细致的说明。该系统运用交流调功的方案取得了很好的控制效果，具有很好的稳定性和可靠性。

 

　　目前聚氨酯发泡机有高压发泡机和低压发泡机两种。低压发泡机只有提料泵一级加压，压力低，制造成本相对比较低，但其原料混合效果比较差，发泡质量不稳定，生产效率低，故障率高，且生产过程浪费大;而高压发泡机是由两台柱塞泵将两种发泡原料Polyp 1}口Iuxryanate泵到灌注枪头，在枪头中通过高压对射达到完全混合，故高压发泡机较之低压发泡机有更高的性能和更高的生产效率!”。

 

　　本设备适用于桥而聚氨a喷涂领域。桥而用的双组份聚氨a涂料的A组份由蓖麻油、甘油、聚丁二烯、分子筛、Can,   Cr203等按比例充分混合制成，B组份为改性MDI  B与A充分混合，立即发生反应，从而制成聚氨酯涂料。涂层常温下数分钟固化，坚硬，能经受至少1h /200℃的高温，附着力良好，特别是疏水性与抗潮性优良，因而可大大减少涂层内产生的气泡。主要用于外表涂料，特别是混凝土表而涂装，可经受因车辆通行、气候、温度等变化产生的应力，特别适用于桥而有沥青的混凝土桥盖板涂料。
 

双组份高压聚氨酯发泡机温度控制系统的设计
 

　　在聚氨a发泡过程中，温度和压力是两个关键量。压力过低时双组份不能充分混合并且影响发泡速度，过高则对整个设备提出了更高的工艺要求。温度对发泡速度亦有较大的影响，温度过高，反应速度加快，相应地要求其它设备和工艺与之相适应;温度过低，反应变慢、固化时间长，相应地影响生产效率!’一3，。因此在设计过程中根据工艺要求温度必须控制在(65士1)℃的范围内。本设计中压力可以通过设定气泵每分钟动作次数来改变，具有较高的灵活性;温度控制是通过两个固态继电器来实现的，采用PD控制，具有响应快、稳定性好的优点。，系统结构

 

　　由6个11}W的加热管并联在一起组成的加热箱，温度能够人为设定，并且能够稳定在设定值(默认为( 65士1) }C )，当外界干扰使温度超出此规定范围时能够迅速恢复，即具有快速响应性。

 

　　控制系统的核心部件采用M SP430系列单片机，它是美国TI公司推出的一款超低功耗功能强大的16位单片机。本系统中采用M SP430F 135单片机，它具有16kB的程序存储器，512B的数据存储器，1个高性能的8通道12位A /D转换器，1个温度传感器以及电池低压时的检测电路，2个带有多个捕获此较寄存器的定时器(带多路IMM输出)，1个可实现同步、异步及多址访问的串行接口，1个模拟比较器，数个可实现方向设置及中断功能的并行输入、输出端口等。利用芯片内置的自动扫描功能，A /D转换器可以不需要中央处理器的协助而独立工作，并且将转换后的数据自动存入缓冲区，使中央处理器的工作负担大为减轻。

 

　　2温度控制系统设计

 

　　2. 1温度控制原理

 

　　温度的控制即为对加热器两端电压的控制，一般对交流电压的调节分为调压和调功两种。所谓交流调压就是指在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压的有效值，这种调压方式广泛用于灯光控制和异步电动机的软启动，也用于异步电机调速，但这种方法的缺点是会对电网电压造成谐波污染。交流调功和交流调压的电路形式是完全相同的，只是控制方式不同。交流调功不是在每个交流电源周期都对输出波形进行控制，而是将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。这种电路常用于电炉的温度控制，因为像电炉这样的大惯性控制对象，其时间常数往往很大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁的控制，只要以周波数为单位进行控制就足够了，而且这种调压方式不对电网电压造成通常意义的谐波污染f41。鉴于以上的分析，在本系统中，笔者采用了第二种调压方式即交流调功，其温度控制原理如图2所示。

 

　　2. 2温度控制策略

 

　　PD控制在生产过程中是一种普遍采用的控制方法，在冶金、机械、化工等行业中获得了广泛的应用!5' o  P D是一种线性控制器它根据给定值叮t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t}-r(t)一c(t)，将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其控制规律为:

 

　　在计算机控制系统中，使用的是数字P}控制器，数字P}控制算法通常分为位置式P}控制算法和增量式P}控制算法。本设计中采用的是位置式。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，故需要将式(1)进行离散化处理。用一系列的采样时刻点kT代表连续时间4以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换:

 

　　2. 3改进的单神经元P}温度控制器

 

　　本系统由于压力大，组份流量快，故要求温度动态性能好，稳态精度高，而且压力可调会造成系统存在参数时变和负载扰动等被控对象的非线性特性等不确定因素。因此理想的控制策略不仅要求能满足上述动态和静态性能，而且还应该具有抑制各种非线性因素对系统的影响。使用传统的控制算法P}是很难满足上述要求的。近年来，神经网络的研究引起了控制界的高度重视，单神经元是基本的控制部件，它只有一个神经元，结构简单，学习过程比较快，又具有神经网络的信息综合、学习记忆和自适应能力，表现出良好的自适应性和鲁棒性，本设计采用单神经元PD温度调节器的设计方法!阔，单神经元的结构如图3所示。分别对应增量式P}控制器的3个参数K}, K,,凡。这种控制策略是采用增量式的方式，对于本系统要求有快速响应，控制器选择对式的比较合适。当单神经元控制器采用对式控制器方式，同增量式控制器结构基本一样，只是控制器的输入和输出有了变化。此时神经元的输入变为:

 

　　4结束语

 

　　M SP430是一款性价比很高的单片机，其丰富的片内硬件资源使系统的外围电路大大简化，为系统设计带来了极大的方便，其12位高精度AD转换器保证了本设计中温度的高质量控制。实践证明，基于M SP430的双组份高压聚氨酯发泡机具有控制准确、操作简单、故障率低等优点，具有很好的应用前景。