一种二次发泡箱全流程自动化控制系统的制作方法

本发明涉及发泡板材成型设备自动控制领域，具体涉及一种二次发泡箱全流程自动化控制系统。

背景技术：

1、pe闭孔发泡板材在二次发泡定型过程中，通常需要在二次发泡箱内依次完成预吹、预热、主加热、保压、排汽、排水、水冷和后吹气等工序。现有二次发泡箱多通过人工操作或预设时间程序控制蒸汽阀、排气阀、排水阀和水冷阀动作，以完成板材的蒸汽加热定型和冷却定型。该类设备能够满足基本生产需要，但其控制依据通常集中于固定时间、单点温度或人工经验，难以全面反映箱体内腔不同区域的温度分布、气室压力变化、冷凝水排出状态以及冷却水换热状态。

2、在实际生产中，pe闭孔发泡板材的二次发泡定型质量容易受到箱内温差、蒸汽压力波动、残余冷凝水和冷却介入时机的影响。若预吹阶段冷凝水未充分排出，后续加热时容易形成局部受热不均；若预热或主加热阶段仅依据固定时长切换，箱体上部、中部和下部之间的温差可能未被及时消除；若排汽、排水尚未满足条件即进入水冷阶段，则容易因残余蒸汽、残余冷凝水或骤冷作用导致板材收缩不稳定、局部翘曲或发泡定型一致性下降。同时，设备在加热、保压或冷却过程中发生停机、急停或压力异常后，若直接按照中断前工序继续运行，也可能因停机期间箱内温度和气室压力已经变化而影响产品质量和运行安全。

3、因此，现有二次发泡箱控制方式的主要不足在于：不能依据箱内实际热状态、压力状态、排水状态和冷却状态对各工序进行联动切换和异常恢复控制，导致二次发泡板材在连续生产中的发泡均匀度、尺寸收缩稳定性、蒸汽利用率和操作安全性难以同时兼顾。现有人工控制存在时间误差大、产品发泡均匀度及收缩值不稳定、蒸汽浪费和高温蒸汽安全风险等问题，本技术即针对上述问题提出改进。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种二次发泡箱全流程自动化控制系统，以解决现有技术中存在的技术问题。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、一种二次发泡箱全流程自动化控制系统，用于pe闭孔发泡板材二次发泡箱，包括二次发泡箱、plc控制器、hmi人机交互单元、热状态采集单元、冷凝水状态检测单元、阀组执行单元和断点续跑单元；

4、热状态采集单元与plc控制器连接，热状态采集单元采集二次发泡箱内腔上部温度、中部温度、下部温度、蒸汽入口压力、气室压力、排气口温度以及冷却水进出口温度；

5、冷凝水状态检测单元与plc控制器连接，冷凝水状态检测单元采集二次发泡箱排水端的排水流量和排水温度；

6、阀组执行单元包括空气阀、蒸汽阀、气室阀、排水阀、副加热执行件、排气阀和水冷阀，空气阀、蒸汽阀、气室阀、排水阀、副加热执行件、排气阀和水冷阀均与plc控制器连接；

7、plc控制器根据上部温度、中部温度、下部温度、蒸汽入口压力、气室压力、排气口温度、冷却水进出口温度、排水流量和排水温度，将二次发泡箱的单模运行过程划分为预吹状态、预热状态、气室联通均温状态、保压定型状态、分级排气状态、加水排气状态、水冷定型状态和后吹气状态，并根据各状态对应的进入条件、退出条件和异常回退条件控制阀组执行单元动作；

8、plc控制器在由加水排气状态切换至水冷定型状态时，以气室压力、排水流量和排气口温度作为水冷准入条件，且在气室压力下降至第二排气压力阈值、排水流量低于预吹排水阈值并持续达到排水确认时间、排气口温度低于水冷准入温度时，控制水冷阀开启并进入水冷定型状态；

9、断点续跑单元在单模运行过程异常中断时保存当前状态、已运行时间、上部温度、中部温度、下部温度、气室压力、排水流量、蒸汽阀累计开启量、排气阀累计开启量、水冷阀累计开启量和异常类型，并在异常解除后，根据停机期间上部温度、中部温度和下部温度的下降量、气室压力下降量和排水流量，控制plc控制器继续当前状态、回退至预热状态、回退至气室联通均温状态或者进入分级排气状态。

10、优选的，所述热状态采集单元包括上部温度传感器、中部温度传感器、下部温度传感器、蒸汽入口压力传感器、气室压力传感器、排气口温度传感器、冷却水进口温度传感器和冷却水出口温度传感器；

11、所述上部温度传感器、中部温度传感器和下部温度传感器分别设置在二次发泡箱内腔的上部区域、中部区域和下部区域；

12、所述蒸汽入口压力传感器设置在蒸汽阀与二次发泡箱之间的蒸汽入口管路上，气室压力传感器设置在与气室阀连通的气室内，排气口温度传感器设置在排气阀上游的排气管路上，冷却水进口温度传感器设置在水冷阀上游的冷却水入口管路上，冷却水出口温度传感器设置在二次发泡箱的冷却水出口管路上。

13、优选的，所述冷凝水状态检测单元包括排水温度传感器和排水流量检测件；

14、所述排水温度传感器设置在排水阀下游的排水管路上，排水流量检测件设置在排水温度传感器下游的排水管路上；

15、所述plc控制器根据排水温度传感器采集的排水温度和排水流量检测件采集的排水流量生成排水完成信号；当排水流量低于预吹排水阈值并持续达到排水确认时间时，plc控制器判定排水完成信号成立。

16、优选的，所述hmi人机交互单元内设有工艺配方参数区；

17、所述工艺配方参数区存储有与板材厚度、板材密度等级和发泡倍率对应的预吹排水阈值、排水确认时间、预热温度范围、均温差阈值、均温稳定时间、保压温度范围、保压压力范围、保压累计时间基准值、气室压力保持时间基准值、蒸汽阀累计开启量基准值、第一排气压力阈值、第二排气压力阈值、水冷准入温度、冷却终点温差、冷却终点温降阈值、后吹气时间、断点温降阈值和余热温度阈值；

18、所述plc控制器内设有状态迁移表，状态迁移表包括预吹状态、预热状态、气室联通均温状态、保压定型状态、分级排气状态、加水排气状态、水冷定型状态和后吹气状态的进入条件、退出条件和异常回退条件，plc控制器按照hmi人机交互单元选定的工艺配方参数区调用状态迁移表中的对应参数。

19、优选的，所述plc控制器在预吹状态下控制空气阀开启，并控制蒸汽阀、气室阀和水冷阀关闭；

20、当排水流量低于预吹排水阈值并持续达到排水确认时间，且排气口温度低于水冷准入温度时，plc控制器将预吹状态切换至预热状态；

21、所述plc控制器在预热状态下控制蒸汽阀和副加热执行件开启，并控制水冷阀关闭；当上部温度传感器、中部温度传感器和下部温度传感器采集的温度均进入预热温度范围时，plc控制器将预热状态切换至气室联通均温状态。

22、优选的，所述plc控制器在气室联通均温状态下，计算上部温度传感器、中部温度传感器和下部温度传感器采集温度中的最大值与最小值的差值；

23、当差值大于均温差阈值时，plc控制器控制气室阀开启，并根据差值所在的均温调节区间调用对应的蒸汽阀开启占空比；

24、当差值小于或等于均温差阈值并持续达到均温稳定时间时，plc控制器将气室联通均温状态切换至保压定型状态；

25、所述plc控制器在保压定型状态下记录多点温度均处于保压温度范围内的累计时间、气室压力处于保压压力范围内的累计时间和蒸汽阀累计开启量；

26、当多点温度均处于保压温度范围内的累计时间达到保压累计时间基准值、气室压力处于保压压力范围内的累计时间达到气室压力保持时间基准值、蒸汽阀累计开启量达到蒸汽阀累计开启量基准值时，plc控制器将保压定型状态切换至分级排气状态。

27、优选的，所述plc控制器在分级排气状态下控制排气阀开启，并控制蒸汽阀和水冷阀关闭；

28、当气室压力下降至第一排气压力阈值时，plc控制器将分级排气状态切换至加水排气状态；

29、所述plc控制器在加水排气状态下控制排水阀和排气阀开启，并控制蒸汽阀和水冷阀关闭；当气室压力下降至第二排气压力阈值、排水流量低于预吹排水阈值并持续达到排水确认时间、排气口温度低于水冷准入温度时，plc控制器将加水排气状态切换至水冷定型状态；

30、其中，第一排气压力阈值大于第二排气压力阈值。

31、优选的，所述plc控制器在水冷定型状态下控制水冷阀开启，并控制蒸汽阀、气室阀、排气阀和排水阀关闭；

32、所述plc控制器计算冷却水出口温度与冷却水进口温度的差值，并记录上部温度传感器、中部温度传感器和下部温度传感器在相邻检测周期内的温度下降量；

33、当冷却水出口温度与冷却水进口温度的差值小于或等于冷却终点温差，且上部温度传感器、中部温度传感器和下部温度传感器在相邻检测周期内的温度下降量均小于或等于冷却终点温降阈值时，plc控制器将水冷定型状态切换至后吹气状态；

34、所述plc控制器在后吹气状态下控制空气阀开启，并控制水冷阀关闭；当后吹气状态的运行时间达到后吹气时间时，plc控制器结束当前单模运行过程。

35、优选的，所述断点续跑单元包括非易失性存储器，非易失性存储器与plc控制器连接；

36、所述plc控制器在每一检测周期内向非易失性存储器写入当前状态、已运行时间、上部温度、中部温度、下部温度、气室压力、蒸汽入口压力、排水流量、排气口温度、蒸汽阀累计开启量、排气阀累计开启量、水冷阀累计开启量和异常类型；

37、异常解除后，plc控制器读取非易失性存储器中的数据，并根据停机期间上部温度、中部温度和下部温度的下降量、气室压力下降量和排水流量确定恢复状态；

38、所述恢复状态包括继续当前状态、回退至预热状态、回退至气室联通均温状态和进入分级排气状态；

39、当停机期间上部温度、中部温度和下部温度的下降量均小于或等于断点温降阈值，且气室压力处于当前状态对应的压力范围内时，plc控制器继续当前状态；

40、当停机期间上部温度、中部温度和下部温度中的至少一个温度下降量大于断点温降阈值，且当前状态位于预热状态、气室联通均温状态或保压定型状态时，plc控制器回退至预热状态或气室联通均温状态；

41、当气室压力大于第一排气压力阈值或排气口温度大于水冷准入温度时，plc控制器进入分级排气状态。

42、优选的，所述plc控制器设有互锁控制区和单模运行记录区；

43、所述互锁控制区存储有阀组互锁表，阀组互锁表包括蒸汽阀与水冷阀互锁、气室阀与水冷阀互锁、排水阀与蒸汽阀互锁；当plc控制器接收到互锁阀组的同时开启指令时，plc控制器按照状态迁移表中当前状态对应的阀组动作保持其中一个阀门开启，并禁止另一阀门开启；

44、所述单模运行记录区记录上一单模运行结束时的箱内上部温度、中部温度、下部温度、排气口温度、冷却水出口温度与冷却水进口温度的差值、蒸汽阀累计开启量和水冷阀累计开启量；

45、所述plc控制器在下一单模运行进入预热状态前，将上一单模运行结束时的箱内上部温度、中部温度和下部温度分别与余热温度阈值进行比较，并根据比较结果调用对应的预热蒸汽阀开启占空比和副加热执行件开启时间。

46、综上所述，本发明主要具有以下有益效果：

47、通过在二次发泡箱内设置上部温度、中部温度和下部温度采集，并结合气室压力、蒸汽入口压力、排气口温度、排水流量以及冷却水进出口温度，由plc控制器按照状态迁移表对预吹状态、预热状态、气室联通均温状态、保压定型状态、分级排气状态、加水排气状态、水冷定型状态和后吹气状态进行切换，达到不再单纯依赖人工经验或固定时间控制各阀门动作的目的，使二次发泡箱的加热、均温、保压、排汽、排水和冷却过程均能够依据实际热状态进行执行，从而使pe闭孔发泡板材在二次发泡定型过程中的受热状态、保压状态和冷却状态更加一致，减少因局部温度不足、残余蒸汽未排尽或冷却提前介入造成的板材密度差、收缩差和翘曲问题。

48、通过在气室联通均温状态下根据箱体内腔上部温度、中部温度和下部温度计算箱内温差判断量，并根据箱内温差判断量所在的均温调节区间调用对应的蒸汽阀开启占空比，同时在加水排气状态下以气室压力下降至第二排气压力阈值、排水流量低于预吹排水阈值并持续达到排水确认时间、排气口温度低于水冷准入温度作为水冷定型状态的准入条件，达到将气室联通均温、分级排气、冷凝水排出和水冷准入进行协同控制的目的，避免现有设备中排气后直接水冷或按固定时序水冷所导致的骤冷收缩、冷凝水残留和蒸汽热冲击问题，使二次发泡板材在进入冷却前具有明确的排压、排水和降温判断依据。

49、通过断点续跑单元在异常中断时保存当前状态、已运行时间、上部温度、中部温度、下部温度、气室压力、排水流量、蒸汽阀累计开启量、排气阀累计开启量、水冷阀累计开启量和异常类型，并在异常解除后根据停机期间温度下降量、气室压力下降量和排水流量确定继续当前状态、回退至预热状态、回退至气室联通均温状态或进入分级排气状态，达到异常恢复不再机械沿用中断前工序的目的，避免停机后箱内热状态已经变化而仍直接续跑造成的产品报废或安全风险；同时，通过单模运行记录区记录上一单模结束时的余热状态，并在下一单模预热前调用对应的预热蒸汽阀开启占空比和副加热执行件开启时间，达到根据实际余热状态修正下一单模预热参数的目的，使蒸汽供给和副加热介入更符合连续生产过程中的热量变化。