智能化高效含浸機的控制系統設計和實現

何海華，梁國衡

（肇慶信泰機電科技有限公司，廣東肇慶 526060）

智能化高效含浸機的控制系統設計和實現

何海華，梁國衡

（肇慶信泰機電科技有限公司，廣東肇慶 526060）

采用閉環控制系統、PID控制算法、封閉式液體循環控制和多段速脫液系統等技術的結合，開發一種智能化高效含浸設備。系統通過對溫度、壓力、時間、速度等數據信息的采集，結合PLC的高速處理，完成對電解電容的鋁箔紙進行注液、加熱、抽真空、加壓、浸液及脫液等流程控制，整個流程可循環，并且循環次數可設。

智能化；電解液；閉環控制；循環系統；PID控制算法

鋁電解電容廣泛用于電子通信，照明電路，汽車控制電路，電子鎮流器、電力電子電路、變頻驅動器，焊接設備、開關電源，UPS電源及其它控制電路等。而隨著科學技術的發展，社會需求的提高，環境的改善，新型整機的誕生，使鋁電解電容器的應用領域不斷拓寬，需求量越來越大。

由于鋁電解電容器的負電極是由浸過電解質液（液態電解質）的薄紙/薄膜或電解質聚合物構成，因此，智能化高效含浸機作為鋁電解電容器自動化生產主要設備之一。其功能把電解液通過高壓滲入鋁箔紙，其優點是整個過程為全自動監控和控制，并能根據用戶的設定，進行多次加壓的循環含浸，含浸完成后，自動脫液和回收電解液。

由于電解液為易揮發液體，對環境有一定的污染和對人的皮膚有一定傷害，傳統的含浸多為人手操作（裝料、取料、加液等直接接觸到電解液的工序），使電解液滲透入鋁箔紙中。含浸后直接取出在空氣中自然晾干。這樣導致電解液長期暴露在空氣中，對人體和環境造成傷害，并且浪費大量的電解。

因此該設備的研發，主要針對上述的缺點，設計了該智能化高效含浸機，通過PLC、觸摸屏、傳感器和控制器等，實現全自動監控和控制。該設備全面提升含浸質量、提高含浸效率，還能減少對人體的傷害和環境的污染。該設備的研發對含浸流程具有重大意義。

本文主要論述了設備自動化控制系統的設計、開發和實現過程，并描述控制系統中各個子系統的組成和工作原理。設計的主要目的是設計出具有自動監控和操作、封閉式液體循環、保溫、自動脫液以及能循環加壓控制系統。

1 智能化控制流程圖

圖1為該設備的主要流程圖，從圖中可以看出，設備操作人員只需在開始對設備進行簡單的數據調用（預先設定），點擊運行，系統便能根據設定的參數，完成整個含浸。

2 控制系統的組成

該設備的控制系統,主要由5個子系統組成,如圖2所示。每個子系統均為獨立的閉環控制系統，通過主系統的觸發，完成相應的操作后，發送反饋信號給主系統。每個子系統的反饋信號都包含有完成信號、狀態信號、報警信號等。

圖1 智能化控制流程圖

圖2 系統組成圖

2.1 壓力控制系統

由于含浸前和入液后，含浸的缸體必須處在負壓狀態，而含浸過程必須處在高壓狀態，以達到電解液高效滲透入鋁箔紙中。因此壓力控制系統必須實時監控缸體壓力，并根據壓力傳感器的反饋信號作相應的輸出響應。

壓力控制系統主要監控主缸的壓力，主要由主缸（耐壓缸）、壓力傳感器、真空泵和流量泵組成，主缸內的壓力傳感器作為輸入反饋信號、連接主缸的真空泵作為負壓輸出源、連接主缸的流量泵作為正壓力輸出源（正負輸出是相對當地的大氣壓力），組成了閉環控制系統。

系統選件方面，由于壓力控制的范圍，負壓要求要達到100 Pa,而缸體的體積約為150 L，考慮到抽真空效率，選用流量為28 L/s的真空泵，并設計一個體積約為130 L真空存儲缸體，以便讓主缸體更快達到需要的真空度；而正壓要求達到1.2 MPa，最高壓力不能超過1.6 MPa，選用流量為1.6 L/h的流量泵，作為正壓的加壓源，并設有爆破片，防止因壓力過大發生事故。反饋信號方面，采用一個壓力傳感器檢測缸體壓力，壓力傳感器能把壓力值轉化成電壓值輸出，再由PLC的模擬量模塊進行采集，最后PLC根據采集回來的數據作相應的輸出響應，其控制圖如圖3所示。

圖3 壓力控制圖

圖3中，由于缸體的壓力一般呈現線形變化，這樣，PLC便能實時監控壓力傳感器反饋回來的數據，根據反饋回來的數據的變化趨勢，就能判斷缸體內的各種狀況（如是否漏氣、輸出是否正常等）。并依據這些數據作出相應的輸出及提示。

選用壓力傳感器方面，通過以下計算得出壓力傳感器的最小分辨率。

其中壓力傳感器反饋的電壓信號輸出為2～4 V值,而壓力傳感器最大的檢測范圍是0～2 MPa，因此，壓力和電壓的換算計算:

式中：

K1壓力和電壓的換算比；

Pmax為壓力傳感器能檢測的最大壓力值；

Vmax為壓力傳感器最大壓力值的輸出電壓；

Vmin為壓力傳感器最小壓力值的輸出電壓。

而PLC模擬量輸入采用的是12位輸入模塊,采集電壓為單極性0～5 V，即采集的分辨率為：

式中：

K2為采集模塊的分辨率；

V為采集模塊能檢測的最大電壓值；

D為采集模塊數據存放位數。

從以上兩計算得出，PLC模塊通過采集壓力傳感器反饋回來的電壓，可以檢測缸體壓力的分辨率K3為：

因此其分辨率足夠應用于主缸的壓力檢測。

2.2 加熱及保溫系統

在含浸過程中，若電解液處在一定高溫（約65℃左右），能提高電解液的滲透效果和速度。所以，必須設計一個加熱及保溫系統，來確保電解液的溫度保持在設定溫度上。

該系統的硬件主要由發熱棒、熱電偶、傳熱油及保溫層組成。由于不能對電解液直接加熱，所以必須采用隔離加熱的方式，發熱棒對傳熱油進行加熱，傳熱油作為傳熱介質，對缸體的電解液導熱，達到加熱及保溫效果。

控制方面，主要采用PLC的溫控模塊立缸體內的溫度進行控制，發熱棒作為加熱源、熱電偶作為反饋信號，由PLC實現閉環PID控制，能精確控制傳熱油的溫度，從而使電解液的溫度可控；并在缸體外加上隔熱棉保溫，使電解液的溫度不易下降，起到節能環保作用。

其中在模擬系統中，PID算法的表達式為：

式中：

P（t）為調節器的輸出信號；

e（t）為調節器的偏差信號，它等于測量值與給定值之差；

KP為調節器的比例系數；

TI為調節器的積分時間；

TD為調節器的微分時間。

通過采用PID控制，能把溫度穩定在一定范圍，從而保證了含浸的質量，使電解液更好地滲透入鋁箔紙中。

2.3 電解液循環系統

主要由主缸、儲液缸、輔佐缸及控制閥門組成。由于含浸過程要經過多次換液，所以本系統能在封閉的環境下，使電解液在3個缸體之間循環或導出。這不但能節約電解液的用量，還能防止電解液在空氣中揮發導致的環境污染。含浸后的電解液經過過濾導出，能再次用于含浸生產，這樣做就直接降低生產成本和提高電解液的使用效率，同樣有助于減少對環境的污染；而且在循環過程中，能按工藝要求在任意的循環點返回，如此可讓循環多樣化，不但能提高含浸質量，還能提高含浸效率。其系統圖如圖4所示。

圖4 電解液循環圖

2.4 脫液系統

主要由脫液篩網、密封圈、變頻器及電機組成，通過PLC的PWM輸出，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電機轉速。

由于含浸后的電解液需要經過晾干，如果在含浸后直接取出晾干，由于元件會殘留大量的電解液，不但晾干時間長，而且電解液在空氣中揮發對周圍環境造成污染，所以，在取出晾干前，直接在主缸內的篩網脫液。通過采用變頻電機以多段速度帶動曬網旋轉，在離心力的作用，可以把殘留在元件上的電解液基本除去，多段速度控制可使在旋轉過程中的元件所受到的沖擊慣性最少，避免元件的損傷，還有助于殘留液體較好地清除，然后再取出進一步晾干，這樣就大大減少了晾干的時間，而且脫液過程中被甩出來的電解液能通過主缸回收，進一步減少電解液的損耗和對環境的污染，多段速控制流程如圖5所示。

圖5 脫液流程圖

3 結 論

智能化高效含浸機解決傳統人手操作含浸問題，提高含浸效率和含浸質量，由于使用了脫液和液體循環系統，從而減少了電解液的用量，節約成本及減少對人體傷害和環境的污染。在設計過程中，較難點為如何準確控制缸體壓力以及當加正壓時的安全性等。通過對電氣件的篩選和對控制系統的優化，實現缸體壓力的準確控制。

：

[1]王飛，孔慶忠.PLC在步進電機控制驅動器中的應用[J].機械工程與自動化，2006（4）：59-60.

[2]陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2002.8-10.

[3]郁漢琪，郭健.可編程序控制器原理及應用[M].北京：中國電力出版社，2004.

[4]杜坤每，李鐵才.電機控制技術[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2002.176.

[5]周霖主.DSP算法設計與系統方案[M].北京：國防工業出版社，2004.206.

[6]韓保廣.馬達控制領域的DSP應用[J].電子產品世界，1997（7）：29-30.

[7]爾桂花，竇日軒.運動控制系統[M].北京：清華大學出版社，2002：45-52.

[8]王曉明，王玲.電動機的DSP控制：TI公司DSP應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，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

何海華（1982-），男，廣東省肇慶人，助理工程師，主要從事自動化設備的電氣設計和研發工作。