基于LabVIEW的注塑過程能耗分布實驗研究

田 宇,閆寶瑞,何亞東,2＊,信春玲,李慶春

(1.北京化工大學機電工程學院,北京100029;2.教育部高分子材料加工裝備工程研究中心,北京100029)

基于LabVIEW的注塑過程能耗分布實驗研究

田 宇1,閆寶瑞1,何亞東1,2＊,信春玲1,李慶春1

(1.北京化工大學機電工程學院,北京100029;2.教育部高分子材料加工裝備工程研究中心,北京100029)

基于LabVIEW圖形化編程語言開發了一套注塑機能耗檢測系統,可以對注塑機液壓系統的電能損耗進行在線檢測。利用軟件在線積分的方法,既可以得到整機能耗,也可以得到一個注塑周期中不同工序階段的能耗。并利用此系統進行了注塑機能耗分布的實驗研究,分析了關鍵工藝參數對能耗分布的影響。結果表明,在一個注塑周期中,注射階段所占的能耗比例最大;注射壓力主要影響注射能耗,螺桿轉速主要影響塑化能耗。

注塑機;虛擬儀器技術;在線檢測;能耗分布

0 前言

在塑料行業迅速發展的今天,注塑機無論在數量上或品種上都占有舉足輕重的地位,與此同時,注塑機也是能源消耗大戶,在其產品的成本構成中,電費往往占據相當大的比例[1]。而我國塑機行業長期以來往往只注重單機的生產能力,忽略了以節能為目標的研究和設計[2],因此推進節能降耗工作成為當前注塑機行業的緊迫任務。目前能耗檢測主要依賴通用的電力電能儀表,不能滿足專業性研究的需要。為此,本文設計了一套基于圖形化編程語言LabVIEW的注塑機能耗檢測系統,不僅可以對整機的能耗進行檢測,還可以精確檢測注塑機不同工藝階段的能量消耗,深入分析各個階段的能耗狀況、節能潛力及其內在聯系。

1 注塑機工作過程及能耗檢測原理

注塑機的一個完整成型周期包括合模、注射、保壓、冷卻、預塑、開模、頂出等動作。合模開始后,由限位行程開關確認合模是否到位,并發出信號使注射座向前移動,之后接通注射程序,注射結束后油缸必須繼續保持壓力,直到澆口處冷卻封口為止,稱保壓程序。由于注射過程和保壓過程在時間上很難區分,因此我們通常將其放在一起研究。保壓時間到,螺桿開始旋轉,進入塑化程序。塑化完成后,注射座后退,至限位時發出信號進入冷卻階段。之后打開模具,發出指令將制品頂出[3]。

注塑機在工作過程中一般通過限位行程開關、電子尺、定時器等發出檢測信號來獲知當前工序階段的完成情況,而最終每個工序都要通過油路電磁閥改變液壓油油路來實現。如果能夠獲得這些油路信號,就可以精確地知道當前注塑機的工序狀態,從而得到每個工序階段的能量消耗,進而了解每個階段的能耗和工藝參數、螺桿參數、制品質量、物料性能等的關系。限于篇幅,本文初步將注塑過程分為合模、注射保壓、塑化、開模這4個階段,作為檢測注塑機能耗的主要研究階段[4]。

2 系統的硬件設計

注塑機能耗評價系統的硬件設備及電路主要由兩大部分組成,一部分是電能參數采集電路,包括傳感器、連接電路等;另一部分是控制信號采集電路,包括信號轉換設備、數據采集設備和上位機。硬件系統原理圖如圖1所示。

圖1 硬件系統結構原理圖Fig.1 Schematic diagram of hardware system structure

在本系統中,注塑機的數字控制信號可以由開關量輸出板引出,但是直接引出的信號電壓是24 V,不能直接接入數字量采集卡中,因此本文采用了光電耦合器進行邏輯電平的轉換,可以將24 V電壓轉換為標準TTL電平進行采集,同時還可以有效阻斷信號傳輸過程中的電氣干擾。

模擬量的采集使用的是一款數字輸出式、隔離型三相智能傳感器,可測量三相電壓、電流、有功功率、無功功率等參數,輸出為RS-485數字信號。本傳感器精度較高,現場抗干擾能力較強,具有很高性價比。在本系統中,通過對傳感器采集得到的功率曲線進行在線數值積分的方式來計算電能。這種方式不僅可以得到注塑過程的總能耗數值,而且可以對功率曲線按不同階段進行區分,計算出所需工序階段的能耗。如圖2所示,是以注射階段(含保壓)為例的積分思路示意圖。

圖2 注塑過程分階段電能消耗積分原理圖Fig.2 Schematic diagram of electricity consumption integral by stages in injection molding process

圖中首先獲得的是整個注塑過程的功率曲線圖,如果利用軟件對整條曲線進行積分,得到的就是總的電能消耗。在此基礎上,根據注射階段的數字信號脈沖,可以在功率圖中找到對應注射階段的那一段功率曲線,然后對其積分,結果即為圖中陰影部分所顯示的面積,也就是注射階段所消耗的電能數值。采用同樣的方法,就可以獲得所需要的各個工序階段的能耗數值。

本系統的數據采集設備采用的是美國國家儀器公司(NI公司)的產品,主要是PCI 6225M系列數據采集卡。該采集卡支持16位分辨率,最高采樣率250 kS/s,擁有80個模擬通道以及10個數字 I/O通道,既可以采集模擬信號,也可以同時采集數字信號。

3 能耗檢測系統的軟件編程

在本系統中,本文根據實際需求選擇了一款圖形化的編程語言開發環境——LabVIEW。LabVIEW由NI公司研制開發,由于它采用了圖形化的編程方式,也稱為 G語言。NI公司提出的“軟件即儀器”的口號,其特點是在硬件條件不變的情況下,通過改變軟件程序,即可實現不同的功能,因此可以靈活方便地建立屬于自己的虛擬儀器系統,是搭建數據采集平臺軟件系統的不二之選。

在LabVIEW中進行程序設計一般包括前面板和程序框圖兩部分。其中前面板部分主要放置開關、按鈕、波形圖表等虛擬控件,是人機交互的主界面,類似于儀器的操作面板;程序框圖部分則是程序設計的核心,即LabVIEW的圖形化源代碼,承擔虛擬儀器各種功能的實現。一般情況下程序框圖作為后臺程序是不開放給用戶的,用戶只需要在前面板上進行相關操作即可[5]。

3.1 前面板

本系統的前面板界面如圖3所示。左側的波形圖顯示控件主要用來顯示與能耗有關的模擬信號,分別為螺桿主軸的轉矩、轉速,以及整機的功率和能耗。右上角是這4路信號所對應的圖例標識和數值顯示框,圖例下方的4個L ED燈用來顯示不同工序階段所對應的數字信號,LED點亮即代表注塑機正工作在該工序階段,此時L ED燈右側的數值顯示框開始不斷刷新并顯示該工序階段所消耗的電能,當L ED燈熄滅,表示該序階段完成,數值顯示框不再發生變化,其讀數就是工序截止前總共消耗的電能數值。波形圖表下方是3個常用的控制按鈕,分別是“開始采集”、“數據保存”和“停止程序”,用來完成基本的控制功能。右下角的數值顯示框用來進行一些傳感器初始值的設置和顯示。

圖3 注塑機能耗采集系統前面板Fig.3 Front panel of energy consumption detection system for injection molding machines

3.2 程序框圖介紹

本系統的程序框圖主要包括了模擬信號采集程序、數字信號采集程序以及數據整合、處理、顯示及存儲相關程序。主要編程思路如圖4所示。

圖4 軟件系統設計流程圖Fig.4 Flow chart for design of software system

軟件部分的核心代碼主要集中在2個WHIL E循環之中,分別對不同通訊協議的數據進行運算和處理,將處理之后的模擬信號和數字信號進一步整合在一起,就可以將不同的工序階段所對應的能耗數值分離出來,從而得到注射成型周期內每個階段各自的電能消耗值。具體的程序框圖如圖5所示。

圖5中上半部分是能耗的在線積分程序框圖,通過傳感器采集得到的相關數據首先進入數據寄存器中,之后在數據包中進行索引,得到所需要的功率數據,提取一個WHILE循環周期內的所有采集樣本構建出一個數組,然后利用LabVIEW的積分函數對此數組進行積分運算,這樣得到的數值是一個WHIL E循環周期內的積分值,對每個周期的積分值進行累加求和,就得到了最終消耗的總電能。

圖5 數據整合、處理子程序Fig.5 Sub VI of data integration and processing

圖5中下半部分是分段能耗的運算程序框圖,將采集得到的數字量信號首先送入循環中進行數組索引,分離出所需要的4路數字信號,之后一方面在前面板進行顯示,另一方面將數字量和每個循環中的電能積分值進行逐次運算。當數字信號為0時,運算結果為0,數據無效;當數字信號為1時,模擬電能數值保留,之后再經過累加求和,就得到了所有數字信號為高電平時的電能數值,即所采集的工序階段內的能耗值。

4 基于能耗檢測系統的實驗

4.1 實驗設備和方案

實驗所采用的注塑機是寧波海天股份有限公司生產的往復式螺桿注射成型機 HTF120X2。實驗所用材料為聚丙烯(PP),所用模具為標準樣條模具。用于數據采集檢測的虛擬儀器即為本文所開發的能耗檢測系統。

實驗首先采用已有的電能檢測儀表測量能耗和本系統對功率曲線進行軟件積分得到的能耗進行對比,觀察本系統的誤差大小情況,然后調節不同的工藝參數,觀察關鍵性工藝參數對注塑機能耗分布的影響,最后計算并得到一個注塑周期內的能耗分布圖。

其中,工藝參數對能耗的影響實驗主要分為2組:一是在螺桿轉速為120 r/min,其他工藝參數完全相同的條件下,調節不同的注射壓力,觀察注射壓力的變化對總能耗及各分段能耗的影響情況;二是保持注射壓力為70 MPa,其他工藝參數不變,選擇不同的螺桿轉速,觀察螺桿轉速對總能耗及各分段能耗的影響。在每一組工藝條件下不間歇地注射10模制品,記錄每個周期內的總能耗及合模、開模、注射(含保壓)、塑化階段能耗,取10模的平均值進行分析和比較。具體的工藝參數設置如表1所示。

表1 注塑機工藝參數設定Tab.1 Settings of injection molding process parameters

4.2 結果與討論

4.2.1 能耗檢測系統相對誤差實驗

本文使用維博電子有限責任公司生產的WB1876B05電能采集模塊所采集到的能耗數值作為標準,和本系統軟件積分得到的能耗數值進行了比較,將連續注射10模制品采集到的總能耗數值作為一組數據,本實驗在不同時間、不同條件下采集到了10組數據進行比較,結果如表2所示。

表2 相對誤差的比較實驗Tab.2 Experiment for the comparison of relative errors

實驗結果表明,本系統利用功率曲線積分計算能耗的相對誤差最高不超過1%,平均誤差約為千分之三,具有較高的精確度,完全可以滿足實驗研究的需要。

4.2.2 關鍵工藝參數對能耗的影響

(1)注射壓力對各階段能耗的影響

從表3可以看出,當注射壓力發生變化時,注射能耗會隨著注射壓力的增加而增加,但是其他階段的能耗幾乎沒有受到影響,與此同時,整個注塑周期所消耗的電能也會隨之增加。

表3 不同注射壓力時各階段的能耗Tab.3 Energy consumption of various stages under different injection pressure

注射壓力和注射能耗之間的關系如圖6所示,可以看出當注射壓力提高時,注射過程的能耗和注射壓力之間近乎成線性關系。

圖6 注射能耗與注射壓力的關系Fig.6 Injection energy consumption against different injection pressure

(2)螺桿轉速對各階段能耗的影響

從表4可以看出,其他階段的電能消耗并沒有明顯的變化,而塑化能耗則會隨著螺桿轉速的增加逐漸降低。對于實驗所選取的4個不同轉速,當螺桿轉速為60 r/min時,塑化所需的能耗明顯高過其他轉速的情況,而隨著螺桿轉速的提高,塑化所需能耗隨之大幅下降,但當螺桿轉速達到100 r/min以上時,塑化能耗的下降趨勢不再明顯。螺桿轉速和塑化能耗之間的關系如圖7所示。

表4 不同螺桿轉速時各階段的能耗Tab.4 Energy consumption of various stages at different screw speeds

圖7 塑化能耗與螺桿轉速的關系Fig.7 Injection energy consumption related to screw speed

從圖7可以看到,采用較高的螺桿轉速非但不會增加塑化過程的能量消耗,反而可以有效降低塑化過程的能耗,但也并非越高越好。從理論上講,這是因為比較高的螺桿轉速會增加螺桿輸送物料的速度和能力,縮短塑化過程所需要的時間,所以減少了能量的消耗,同時也可以達到縮短成型周期,提高效率的目的。但是如果螺桿轉速過高,會導致物料停留時間太短,物料不能充分塑化,從而嚴重影響制品的力學性能[6]。

(3)一個注塑周期內的能耗分布圖

在獲得一個周期內不同工序階段的能耗和整個周期的總能耗之后,就可以得到一個周期內的能耗分布圖,如圖8所示,圖8是選取注射壓力為70 MPa,螺桿轉速為120 r/min時得到的注塑周期能耗分布圖。從圖8可以看出,注射和塑化過程占據了整個注塑周期的絕大部分能耗,而注射能耗通常要比塑化能耗更高,當然,這里所考慮的只是液壓系統的能耗,沒有包括電加熱系統消耗的功率。另外,值得注意的是,不同的制品質量、螺桿參數、工藝條件、物料性能都會對注塑周期的能耗分布產生較大影響。目前只是在本次實驗條件下得出結論,對于其他不同工藝條件下也必須具體情況具體分析,才能得到其具體工藝下的準確能耗分布結果。

圖8 一個注塑周期內的能耗分布圖Fig.8 Energy distribution in an injection molding cycle

5 結論

(1)該能耗檢測系統能夠精確檢測不同工序階段的能量損耗和整機能耗,在傳統能耗檢測儀器基礎上有了很大突破,為進一步的注塑機能耗分布研究和節能研究提供了基礎;

(2)對小型注塑機而言,注射階段能耗約占40%,塑化階段能耗約占25%,工藝條件等因素的不同會對能耗比例產生影響;

(3)不同工藝參數對注塑機能耗的主要影響階段也不同,注射壓力主要影響注射能耗,螺桿轉速主要影響塑化能耗。

[1] 王 敏.注塑機節能改造的趨向[J].塑料助劑,2007,(4):54-55.

[2] 吳大鳴.國內外節能塑料機械的研發與應用進展[J].塑料,2007,36(2):30-36.

[3] 王興天.注塑工藝與設備[M].北京:化學工業出版社,2009:14-18.

[4] 張友根.注塑機節能技術的分析與研究[J].橡塑技術與設備,2008,34(3):52-60.

[5] 陳清培,閆寶瑞,楊于光,等.基于LabVIEW的多通道注塑機數據采集系統開發[J].中國塑料,2009,23(2):98-103.

[6] 李世保,劉 穎,吳大鳴.注射機螺桿塑化能力及能耗影響因素的研究[J].塑料,2008,37(6):85-87.

Study on Energy Distribution of Plastic Injection Molding Process Based on LabVIEW

TIAN Yu1,YAN Baorui1,HE Yadong1,2＊,XIN Chunling1,LI Qingchun1
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China;2.Polymer Processing Equipment Engineering Research Center,Ministry of Education,Beijing 100029,China)

Based on the graphical programming language of LabVIEW,an energy consumption detection system for injection molding machine was developed,which could make on-line detection for the energy consumption of the hydraulic system in the injection molding machine.With on-line integral method,the whole energy consumption of the machine and the energy distribution of different process stage in an injection molding cycle could be detected.An experimental study on energy distribution by this system was carried out in order to find the influence between the key process parameter and the energy distribution.It was found that the major stage in this energy distribution was injection process.The major effect of injection pressure on energy consumption was in the stage of injection energy consumption,but the major effect of screw rotational speed on energy consumption was in the stage of plasticization energy consumption.

injection molding machine;virtual instrument technology;on-line detection;energy distribution

TQ320.66+2

B

1001-9278(2011)05-0105-06

2011-01-18

國家科技支撐計劃“工程塑料高性能化制備關鍵技術的研究與開發”(2008BAE59B04)

＊聯系人,heyd@mail.buct.edu.cn