空調(diào)高光注塑模溫控制系統(tǒng)有效性分析

施清清，眭敏，梁之森，楊明輝，謝標(biāo)志，熊躍春

（1-珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070；2-珠海格力智能裝備有限公司，廣東珠海 519015）

0 引言

高光注塑成型是一種先進(jìn)的注塑技術(shù)，利用外加輔助熱源與絕熱設(shè)計(jì)，在取件與合模過程中將模具溫度快速加熱至聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，滿足特定注塑區(qū)域聚合物融體充填、流動和保壓階段的高模溫要求，有效解決注射熔痕、流痕、流線等缺陷，產(chǎn)品具有表面光澤度高、較大的產(chǎn)品強(qiáng)度和較好的表面硬度[1-3]。替代空調(diào)面板污染環(huán)境的噴漆工藝，既減少了工藝流程，改善作業(yè)環(huán)境，又節(jié)約能源保護(hù)環(huán)境，保持了傳統(tǒng)注塑成型技術(shù)生產(chǎn)效率高、適應(yīng)能力強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，近年來在空調(diào)行業(yè)中應(yīng)用廣泛。

高光注塑模溫度對注塑件質(zhì)量、性能及面光澤度生產(chǎn)有著非常重要的影響，是必須控制的關(guān)鍵因素之一[1-4]，包括模具快速加熱、冷卻與溫度維持。王桂龍等[1]提出一種包含蒸汽發(fā)生器和存儲罐的動態(tài)模溫控制系統(tǒng)，對實(shí)現(xiàn)方案的結(jié)構(gòu)與原理進(jìn)行了設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。凌中水等[2]總結(jié)了國內(nèi)外高光注塑工藝的溫控方式，提出一種前置水凈化系統(tǒng)制成去離子純水，再通過裝置的高溫水蒸汽發(fā)生器，形成熱蒸汽導(dǎo)入型腔控制溫度，解決水垢影響換熱效率問題。胡兵[4]于2018年2月公開一種高光注塑模溫機(jī)實(shí)用新型專利，提出一種包含制純水裝置、空氣凈化器新型設(shè)備，實(shí)現(xiàn)純水、高溫水蒸汽及高溫干空氣制備，并以此為介質(zhì)，對模具型腔進(jìn)行溫度控制。上述高光注塑模溫控制技術(shù)，雖然可實(shí)現(xiàn)模具的快速溫控，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致穩(wěn)定性差，且包含蒸汽發(fā)生器和蒸汽儲存罐，導(dǎo)致實(shí)際使用中能耗極高，存在壓力容器帶來的安全隱患，故很難應(yīng)用于大規(guī)模的實(shí)際生產(chǎn)。

本文提出一種基于中央蒸汽和可編程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)的高光注塑模溫控制系統(tǒng)，將純水制備裝置、蒸汽熱源產(chǎn)生罐、儲罐與溫控平臺分離，溫控平臺僅實(shí)現(xiàn)換熱介質(zhì)選擇、溫度快速閉環(huán)控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、能耗低和無安全隱患等優(yōu)點(diǎn)。

1 高光注塑技術(shù)特征

高光注塑技術(shù)的工藝過程跟常規(guī)注塑工藝一致[1]，可分為模具閉合、噴嘴前移、注射充模、保壓預(yù)塑、噴嘴后退、開模頂出、取件等環(huán)節(jié)，但模溫控制不同于常規(guī)注塑的模具溫度，基本保持恒定，在注射、充模、保壓預(yù)塑過程增加了模溫，迅速升高到塑料融體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，滿足填充融合的高模溫要求，在冷卻階段利用冷卻介質(zhì)迅速冷卻到頂出溫度以下，保障生產(chǎn)效率。

圖1所示為高光注塑工序及溫度循環(huán)，通過模溫的快速升降，與開模取件、閉模過程并行，保障高光注塑工藝溫度條件與表面質(zhì)量的同時避免對注塑成型周期及生產(chǎn)效率的影響。

圖1 高光注塑工序及溫度循環(huán)

結(jié)合高光注塑工序及溫度循環(huán)要求，本文研制一種高光注塑模溫控制平臺，由軟水制備系統(tǒng)、中央蒸汽系統(tǒng)、模溫控制平臺、電氣控制系統(tǒng)等部分組成。

2 高光注塑模溫機(jī)構(gòu)成

2.1 寬水質(zhì)適應(yīng)軟水系統(tǒng)

自來水中含有各種泥沙、鐵屑、金屬離子（鈣、鐵、鎂等），在模溫管路系統(tǒng)流動時靠近管內(nèi)壁形成滯流底層，與模腔傳熱面換熱時滯流底層首先受熱蒸發(fā)，產(chǎn)生汽泡，使其中雜質(zhì)的濃度聚集，且該處溫度高雜質(zhì)溶解度低，極易沉積雜質(zhì)與鹽類形成水垢[5-6]。水垢的熱阻比金屬的熱阻要大70～1,000倍，水垢的形成增加流道換熱面的熱阻，嚴(yán)重影響換熱效率與溫控精度，所以需要對自來水進(jìn)行軟化處理[7]。

前置軟水系統(tǒng)采用最先進(jìn)全膜法工藝除雜除鹽，其工藝流程為：自來水—前置鋼網(wǎng)—繞線濾芯(石英砂)—超濾—活性炭（離子交換樹脂）—PP棉（碳纖維）—一級反滲透—二級反滲透—軟水。該工藝具有運(yùn)行成本低、抗惡劣水質(zhì)、預(yù)處理濾材濾料壽命長、體積小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 低能耗中央蒸汽系統(tǒng)

前期外購高光注塑模溫機(jī)通過大功率加熱管方式進(jìn)行加熱、把水變成蒸汽方式，加熱蒸汽溫度普遍達(dá)到180 ℃，每噸20 ℃水加熱到185 ℃蒸汽所需熱值為2,576,360 kJ，表1對比不同能源類型，可見電加熱方式存在耗能高的問題[8-10]，使用天然氣的能耗要比電加熱低60%以上。

按照以下簡易公式可以計(jì)算節(jié)約能耗，電加熱蒸汽發(fā)生器每天電費(fèi)成本C為：

式中：

N——公司同時工作機(jī)臺數(shù)，取10臺；

P——單臺單班產(chǎn)量為1,400；

EP——單件消耗的電能為0.92 kW?h ；

CP——能耗單價元為0.81元/(kW?h)；

η——熱效率，電加熱為60%。

計(jì)算得到，電加熱高光注塑模溫機(jī)每天電費(fèi)成本C=6,260元。結(jié)合表1，按每月開機(jī)20天計(jì)算可節(jié)約成本12.52萬元，折合節(jié)約598 t標(biāo)準(zhǔn)煤，減少二氧化碳排放約1,638 t。

2.3 模溫控制平臺

模溫控制平臺[11]（圖2）的基本結(jié)構(gòu)由電控箱、蒸汽注入系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、吹掃系統(tǒng)、溫度及壓力檢測系統(tǒng)組成。電控箱內(nèi)置啟停開關(guān)、變壓器、逆相保護(hù)器、PLC，外接操作面板，提供不同器件的工作電源條件與實(shí)現(xiàn)控制總成。蒸汽注入系統(tǒng)由緩沖罐、角座閥、管道等構(gòu)成，緩存并控制高熱蒸汽適時進(jìn)入高光塑膠模[12]。冷卻水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冷卻水加壓流入及快速降溫塑膠模。吹掃系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在下一個蒸汽加熱循環(huán)前吹掃殘留冷卻水，提高蒸汽加熱效率。溫度及壓力檢測系統(tǒng)提供加熱、冷卻到位、壓力超標(biāo)等信號，供PLC決策執(zhí)行相關(guān)動作或保護(hù)。

表1 蒸汽源能耗對比分析

圖2 模溫控制平臺設(shè)計(jì)

3 控制系統(tǒng)及效果

3.1 電氣控制策略

模溫平臺控制系統(tǒng)（如圖3），根據(jù)高光塑膠模溫度控制的需要，通過對模具加熱及冷卻管道溫度的傳感，控制相關(guān)角座閥實(shí)現(xiàn)高溫蒸汽、冷卻水或吹掃殘留水的控制[13]，提供高光注塑注射、填充、融合所需溫度條件。

當(dāng)模溫控制平臺收到注塑機(jī)發(fā)出的加熱信號后，同時打開角座閥（5、18和23），蒸汽會通過（1、2、5和15）進(jìn)入模具，其中（2）的作用是減少蒸汽快速流入時對主管路的沖擊，然后經(jīng)過（20、18和23）快速地流出。當(dāng)回流口處熱電偶（21）反饋的溫度達(dá)到80 ℃時關(guān)閉角座閥（18），讓蒸汽通過的速度慢一些，充分利用蒸汽的熱量給模具加熱，當(dāng)回流口處熱電偶（21）反饋的溫度達(dá)到180 ℃時，關(guān)閉角座閥（5和23），停止加熱；延遲一段時候后啟動水泵，同時打開角座閥（12和18），讓接口處的冷卻水經(jīng)由水泵（7）加壓后經(jīng)過（9和15）后，進(jìn)入模具，使模具降溫，回流口處熱電偶（21）反饋的溫度降到30 ℃時，關(guān)閉角座閥（9），同時水泵（7）停止運(yùn)行。

延遲一段時間（0.5～1 s）以后打開角座閥（12和18），將壓縮空氣引入管路系統(tǒng)內(nèi)，利用壓縮空氣將管路系統(tǒng)中的水吹掃干凈，可減少下一次循環(huán)時蒸汽的用量，吹掃4 s后關(guān)閉（實(shí)際以實(shí)驗(yàn)效果為準(zhǔn)）。整改工作流程完成，等待下一個加熱信號，開始下一個循環(huán)。在整個過程中，若壓力感應(yīng)器（4）高于或者低于設(shè)定區(qū)間系統(tǒng)報(bào)警并停機(jī)；當(dāng)水泵（7）運(yùn)行時，若流量開關(guān)（8）無信號，系統(tǒng)停機(jī)并報(bào)警；當(dāng)壓力開關(guān)（11）壓力低于設(shè)定值時，系統(tǒng)停機(jī)并報(bào)警。

圖3 模溫平臺控制系統(tǒng)

3.2 PLC選型設(shè)計(jì)

PLC具有可靠性高、壽命長、安全性好、易于維護(hù)、接線少、編程簡單等優(yōu)點(diǎn)[14]，模溫控制平臺控制采用PLC實(shí)現(xiàn)。平臺包含蒸汽注入、冷卻水、吹掃、溫度及壓力檢測四個子系統(tǒng)，通過傳感器反饋信號對各工序進(jìn)行執(zhí)行控制。

控制面板設(shè)有啟動、停止和急?？刂瓢粹oSB1、SB2和F1B，開始工作后采用PLC接受溫度傳感及溫控模塊信號[15-17]，控制管道角閥、水泵等將高熱蒸汽、冷卻水、吹掃氣體等導(dǎo)入模具，確保各工序溫度達(dá)到高光注塑需求。其中，加熱結(jié)束、冷卻開始與結(jié)束信號由溫度控制模塊給出，增壓水泵控制由冷卻水管道的壓力開關(guān)給出。蒸汽加熱、冷卻水冷卻及空氣吹掃動作由對應(yīng)的并聯(lián)角閥實(shí)現(xiàn)分流控制。統(tǒng)計(jì)輸入點(diǎn)共有7個，輸出點(diǎn)共有6個，總共13個，在程序設(shè)計(jì)之前對用戶的存儲容量按照慣例估算約為500組。根據(jù)上述所得I/O點(diǎn)數(shù)以及估算的內(nèi)存容量[18]，選擇臺達(dá)DVP-32ES PLC，輸入/輸出點(diǎn)數(shù)為16/8，足以滿足模溫平臺的控制要求。

3.3 PLC控制電路圖

模溫平臺控制系統(tǒng)具體的I/O分配表[19]如表2所示，PLC控制電路圖設(shè)計(jì)如圖4所示，控制平臺采用24 V的直流電源，經(jīng)模式核算與應(yīng)用驗(yàn)證[20]，選型的臺達(dá)DVP-32ES PLC完全滿足所需的控制與容量要求。

表2 I/O分配表

圖4 PLC控制電路

3.4 程序流程

高光模具溫度控制平臺的注塑模具溫度循環(huán)控制程序流程，如圖5所示。

圖5 高光模具溫度循環(huán)控制程序流程

3.5 應(yīng)用效果驗(yàn)證

按照上述控制方案制作的高光注塑模溫控制平臺，利用日鋼、法蘭克及海天等注塑機(jī)，優(yōu)化加熱時間（溫度上限）、高溫保持時間、冷卻時間及吹掃時間參數(shù)，驗(yàn)證高光模具溫度循環(huán)控制程序流程[21]。對加熱參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對蒸汽流速進(jìn)行分段控制，保證在工藝周期的20 s內(nèi)將高光模具加熱到165 ℃。對于快速冷卻工藝，采取25 ℃常溫水冷卻，經(jīng)驗(yàn)證可在工藝周期的16 s內(nèi)將模具快速冷卻至65 ℃以下。結(jié)合模具與產(chǎn)品實(shí)際，固化了融體填充時間和保壓時間周期，保障最終成型產(chǎn)品的表面流痕、熔接痕、光澤度得到完美控制。本文提出的方法，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)高光大型ABS面板的生產(chǎn)，獲得了高光、無外觀融痕的量產(chǎn)產(chǎn)品，如圖6所示。

圖6 柜內(nèi)機(jī)空調(diào)面板塑件

4 結(jié)論

針對普通注塑件外觀差及需噴涂保證表面高光視覺的問題，本文提出了注塑件表面質(zhì)量提升優(yōu)化的工藝方案，得到如下結(jié)論：

1）設(shè)計(jì)了一種基于中央蒸汽和可編程控制器（PLC）的高光注塑模溫控制系統(tǒng)，通過更改模具的加熱與冷卻流程實(shí)現(xiàn)對工藝溫度的精確控制，提高塑料件成型表面硬度與光潔度；

2）實(shí)施高光注塑工藝后，每月減少二氧化碳排放約1,638 t；經(jīng)工藝驗(yàn)證與量產(chǎn)實(shí)踐表明，優(yōu)化后的高光注塑方案成型精準(zhǔn)、高光視窗大、適應(yīng)廣，可有效替代空調(diào)大型面板體注塑件噴涂工藝，有效解決其存在的節(jié)能環(huán)保問題。