田 宇,閆寶瑞,何亞東,2＊,信春玲,李慶春

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)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(shí)驗(yàn)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(xué)機(jī)電工程學(xué)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(fā)了一套注塑機(jī)能耗檢測系統(tǒng),可以對(duì)注塑機(jī)液壓系統(tǒng)的電能損耗進(jìn)行在線檢測。利用軟件在線積分的方法,既可以得到整機(jī)能耗,也可以得到一個(gè)注塑周期中不同工序階段的能耗。并利用此系統(tǒng)進(jìn)行了注塑機(jī)能耗分布的實(shí)驗(yàn)研究,分析了關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)能耗分布的影響。結(jié)果表明,在一個(gè)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(zhuǎn)速主要影響塑化能耗。

注塑機(jī);虛擬儀器技術(shù);在線檢測;能耗分布

0 前言

在塑料行業(yè)迅速發(fā)展的今天,注塑機(jī)無論在數(shù)量上或品種上都占有舉足輕重的地位,與此同時(shí),注塑機(jī)也是能源消耗大戶,在其產(chǎn)品的成本構(gòu)成中,電費(fèi)往往占據(jù)相當(dāng)大的比例[1]。而我國塑機(jī)行業(yè)長期以來往往只注重單機(jī)的生產(chǎn)能力,忽略了以節(jié)能為目標(biāo)的研究和設(shè)計(jì)[2],因此推進(jìn)節(jié)能降耗工作成為當(dāng)前注塑機(jī)行業(yè)的緊迫任務(wù)。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(yè)性研究的需要。為此,本文設(shè)計(jì)了一套基于圖形化編程語言LabVIEW的注塑機(jī)能耗檢測系統(tǒng),不僅可以對(duì)整機(jī)的能耗進(jìn)行檢測,還可以精確檢測注塑機(jī)不同工藝階段的能量消耗,深入分析各個(gè)階段的能耗狀況、節(jié)能潛力及其內(nèi)在聯(lián)系。

1 注塑機(jī)工作過程及能耗檢測原理

注塑機(jī)的一個(gè)完整成型周期包括合模、注射、保壓、冷卻、預(yù)塑、開模、頂出等動(dòng)作。合模開始后,由限位行程開關(guān)確認(rèn)合模是否到位,并發(fā)出信號(hào)使注射座向前移動(dòng),之后接通注射程序,注射結(jié)束后油缸必須繼續(xù)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(shí)間上很難區(qū)分,因此我們通常將其放在一起研究。保壓時(shí)間到,螺桿開始旋轉(zhuǎn),進(jìn)入塑化程序。塑化完成后,注射座后退,至限位時(shí)發(fā)出信號(hào)進(jìn)入冷卻階段。之后打開模具,發(fā)出指令將制品頂出[3]。

注塑機(jī)在工作過程中一般通過限位行程開關(guān)、電子尺、定時(shí)器等發(fā)出檢測信號(hào)來獲知當(dāng)前工序階段的完成情況,而最終每個(gè)工序都要通過油路電磁閥改變液壓油油路來實(shí)現(xiàn)。如果能夠獲得這些油路信號(hào),就可以精確地知道當(dāng)前注塑機(jī)的工序狀態(tài),從而得到每個(gè)工序階段的能量消耗,進(jìn)而了解每個(gè)階段的能耗和工藝參數(shù)、螺桿參數(shù)、制品質(zhì)量、物料性能等的關(guān)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(gè)階段,作為檢測注塑機(jī)能耗的主要研究階段[4]。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

注塑機(jī)能耗評(píng)價(jià)系統(tǒng)的硬件設(shè)備及電路主要由兩大部分組成,一部分是電能參數(shù)采集電路,包括傳感器、連接電路等;另一部分是控制信號(hào)采集電路,包括信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和上位機(jī)。硬件系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of hardware system structure

在本系統(tǒng)中,注塑機(jī)的數(shù)字控制信號(hào)可以由開關(guān)量輸出板引出,但是直接引出的信號(hào)電壓是24 V,不能直接接入數(shù)字量采集卡中,因此本文采用了光電耦合器進(jìn)行邏輯電平的轉(zhuǎn)換,可以將24 V電壓轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平進(jìn)行采集,同時(shí)還可以有效阻斷信號(hào)傳輸過程中的電氣干擾。

模擬量的采集使用的是一款數(shù)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(shù),輸出為RS-485數(shù)字信號(hào)。本傳感器精度較高,現(xiàn)場抗干擾能力較強(qiáng),具有很高性價(jià)比。在本系統(tǒng)中,通過對(duì)傳感器采集得到的功率曲線進(jìn)行在線數(shù)值積分的方式來計(jì)算電能。這種方式不僅可以得到注塑過程的總能耗數(shù)值,而且可以對(duì)功率曲線按不同階段進(jìn)行區(qū)分,計(jì)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(gè)注塑過程的功率曲線圖,如果利用軟件對(duì)整條曲線進(jìn)行積分,得到的就是總的電能消耗。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)注射階段的數(shù)字信號(hào)脈沖,可以在功率圖中找到對(duì)應(yīng)注射階段的那一段功率曲線,然后對(duì)其積分,結(jié)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(shù)值。采用同樣的方法,就可以獲得所需要的各個(gè)工序階段的能耗數(shù)值。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用的是美國國家儀器公司(NI公司)的產(chǎn)品,主要是PCI 6225M系列數(shù)據(jù)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(gè)模擬通道以及10個(gè)數(shù)字 I/O通道,既可以采集模擬信號(hào),也可以同時(shí)采集數(shù)字信號(hào)。

3 能耗檢測系統(tǒng)的軟件編程

在本系統(tǒng)中,本文根據(jù)實(shí)際需求選擇了一款圖形化的編程語言開發(fā)環(huán)境——LabVIEW。LabVIEW由NI公司研制開發(fā),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(hào),其特點(diǎn)是在硬件條件不變的情況下,通過改變軟件程序,即可實(shí)現(xiàn)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(tǒng),是搭建數(shù)據(jù)采集平臺(tái)軟件系統(tǒng)的不二之選。

在LabVIEW中進(jìn)行程序設(shè)計(jì)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(guān)、按鈕、波形圖表等虛擬控件,是人機(jī)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(shè)計(jì)的核心,即LabVIEW的圖形化源代碼,承擔(dān)虛擬儀器各種功能的實(shí)現(xiàn)。一般情況下程序框圖作為后臺(tái)程序是不開放給用戶的,用戶只需要在前面板上進(jìn)行相關(guān)操作即可[5]。

3.1 前面板

本系統(tǒng)的前面板界面如圖3所示。左側(cè)的波形圖顯示控件主要用來顯示與能耗有關(guān)的模擬信號(hào),分別為螺桿主軸的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速,以及整機(jī)的功率和能耗。右上角是這4路信號(hào)所對(duì)應(yīng)的圖例標(biāo)識(shí)和數(shù)值顯示框,圖例下方的4個(gè)L ED燈用來顯示不同工序階段所對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào),LED點(diǎn)亮即代表注塑機(jī)正工作在該工序階段,此時(shí)L ED燈右側(cè)的數(shù)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(dāng)L ED燈熄滅,表示該序階段完成,數(shù)值顯示框不再發(fā)生變化,其讀數(shù)就是工序截止前總共消耗的電能數(shù)值。波形圖表下方是3個(gè)常用的控制按鈕,分別是“開始采集”、“數(shù)據(jù)保存”和“停止程序”,用來完成基本的控制功能。右下角的數(shù)值顯示框用來進(jìn)行一些傳感器初始值的設(shè)置和顯示。

圖3 注塑機(jī)能耗采集系統(tǒng)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(tǒng)的程序框圖主要包括了模擬信號(hào)采集程序、數(shù)字信號(hào)采集程序以及數(shù)據(jù)整合、處理、顯示及存儲(chǔ)相關(guān)程序。主要編程思路如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)WHIL E循環(huán)之中,分別對(duì)不同通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理,將處理之后的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)進(jìn)一步整合在一起,就可以將不同的工序階段所對(duì)應(yīng)的能耗數(shù)值分離出來,從而得到注射成型周期內(nèi)每個(gè)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(guān)數(shù)據(jù)首先進(jìn)入數(shù)據(jù)寄存器中,之后在數(shù)據(jù)包中進(jìn)行索引,得到所需要的功率數(shù)據(jù),提取一個(gè)WHILE循環(huán)周期內(nèi)的所有采集樣本構(gòu)建出一個(gè)數(shù)組,然后利用LabVIEW的積分函數(shù)對(duì)此數(shù)組進(jìn)行積分運(yùn)算,這樣得到的數(shù)值是一個(gè)WHIL E循環(huán)周期內(nèi)的積分值,對(duì)每個(gè)周期的積分值進(jìn)行累加求和,就得到了最終消耗的總電能。

圖5 數(shù)據(jù)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(yùn)算程序框圖,將采集得到的數(shù)字量信號(hào)首先送入循環(huán)中進(jìn)行數(shù)組索引,分離出所需要的4路數(shù)字信號(hào),之后一方面在前面板進(jìn)行顯示,另一方面將數(shù)字量和每個(gè)循環(huán)中的電能積分值進(jìn)行逐次運(yùn)算。當(dāng)數(shù)字信號(hào)為0時(shí),運(yùn)算結(jié)果為0,數(shù)據(jù)無效;當(dāng)數(shù)字信號(hào)為1時(shí),模擬電能數(shù)值保留,之后再經(jīng)過累加求和,就得到了所有數(shù)字信號(hào)為高電平時(shí)的電能數(shù)值,即所采集的工序階段內(nèi)的能耗值。

4 基于能耗檢測系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方案

實(shí)驗(yàn)所采用的注塑機(jī)是寧波海天股份有限公司生產(chǎn)的往復(fù)式螺桿注射成型機(jī) HTF120X2。實(shí)驗(yàn)所用材料為聚丙烯(PP),所用模具為標(biāo)準(zhǔn)樣條模具。用于數(shù)據(jù)采集檢測的虛擬儀器即為本文所開發(fā)的能耗檢測系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)首先采用已有的電能檢測儀表測量能耗和本系統(tǒng)對(duì)功率曲線進(jìn)行軟件積分得到的能耗進(jìn)行對(duì)比,觀察本系統(tǒng)的誤差大小情況,然后調(diào)節(jié)不同的工藝參數(shù),觀察關(guān)鍵性工藝參數(shù)對(duì)注塑機(jī)能耗分布的影響,最后計(jì)算并得到一個(gè)注塑周期內(nèi)的能耗分布圖。

其中,工藝參數(shù)對(duì)能耗的影響實(shí)驗(yàn)主要分為2組:一是在螺桿轉(zhuǎn)速為120 r/min,其他工藝參數(shù)完全相同的條件下,調(diào)節(jié)不同的注射壓力,觀察注射壓力的變化對(duì)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(shù)不變,選擇不同的螺桿轉(zhuǎn)速,觀察螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)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(gè)周期內(nèi)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(jìn)行分析和比較。具體的工藝參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 注塑機(jī)工藝參數(shù)設(shè)定Tab.1 Settings of injection molding process parameters

4.2 結(jié)果與討論

4.2.1 能耗檢測系統(tǒng)相對(duì)誤差實(shí)驗(yàn)

本文使用維博電子有限責(zé)任公司生產(chǎn)的WB1876B05電能采集模塊所采集到的能耗數(shù)值作為標(biāo)準(zhǔn),和本系統(tǒng)軟件積分得到的能耗數(shù)值進(jìn)行了比較,將連續(xù)注射10模制品采集到的總能耗數(shù)值作為一組數(shù)據(jù),本實(shí)驗(yàn)在不同時(shí)間、不同條件下采集到了10組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,結(jié)果如表2所示。

表2 相對(duì)誤差的比較實(shí)驗(yàn)Tab.2 Experiment for the comparison of relative errors

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本系統(tǒng)利用功率曲線積分計(jì)算能耗的相對(duì)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(shí)驗(yàn)研究的需要。

4.2.2 關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)能耗的影響

(1)注射壓力對(duì)各階段能耗的影響

從表3可以看出,當(dāng)注射壓力發(fā)生變化時(shí),注射能耗會(huì)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(shí),整個(gè)注塑周期所消耗的電能也會(huì)隨之增加。

表3 不同注射壓力時(shí)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(guān)系如圖6所示,可以看出當(dāng)注射壓力提高時(shí),注射過程的能耗和注射壓力之間近乎成線性關(guān)系。

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

(2)螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)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(huì)隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加逐漸降低。對(duì)于實(shí)驗(yàn)所選取的4個(gè)不同轉(zhuǎn)速,當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí),塑化所需的能耗明顯高過其他轉(zhuǎn)速的情況,而隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高,塑化所需能耗隨之大幅下降,但當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速達(dá)到100 r/min以上時(shí),塑化能耗的下降趨勢不再明顯。螺桿轉(zhuǎn)速和塑化能耗之間的關(guān)系如圖7所示。

表4 不同螺桿轉(zhuǎn)速時(shí)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(zhuǎn)速的關(guān)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(zhuǎn)速非但不會(huì)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?yàn)楸容^高的螺桿轉(zhuǎn)速會(huì)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(shí)間,所以減少了能量的消耗,同時(shí)也可以達(dá)到縮短成型周期,提高效率的目的。但是如果螺桿轉(zhuǎn)速過高,會(huì)導(dǎo)致物料停留時(shí)間太短,物料不能充分塑化,從而嚴(yán)重影響制品的力學(xué)性能[6]。

(3)一個(gè)注塑周期內(nèi)的能耗分布圖

在獲得一個(gè)周期內(nèi)不同工序階段的能耗和整個(gè)周期的總能耗之后,就可以得到一個(gè)周期內(nèi)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(zhuǎn)速為120 r/min時(shí)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(jù)了整個(gè)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(dāng)然,這里所考慮的只是液壓系統(tǒng)的能耗,沒有包括電加熱系統(tǒng)消耗的功率。另外,值得注意的是,不同的制品質(zhì)量、螺桿參數(shù)、工藝條件、物料性能都會(huì)對(duì)注塑周期的能耗分布產(chǎn)生較大影響。目前只是在本次實(shí)驗(yàn)條件下得出結(jié)論,對(duì)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(zhǔn)確能耗分布結(jié)果。

圖8 一個(gè)注塑周期內(nèi)的能耗分布圖Fig.8 Energy distribution in an injection molding cycle

5 結(jié)論

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

(2)對(duì)小型注塑機(jī)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(huì)對(duì)能耗比例產(chǎn)生影響;

(3)不同工藝參數(shù)對(duì)注塑機(jī)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(zhuǎn)速主要影響塑化能耗。

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

[2] 吳大鳴.國內(nèi)外節(jié)能塑料機(jī)械的研發(fā)與應(yīng)用進(jìn)展[J].塑料,2007,36(2):30-36.

[3] 王興天.注塑工藝與設(shè)備[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:14-18.

[4] 張友根.注塑機(jī)節(jié)能技術(shù)的分析與研究[J].橡塑技術(shù)與設(shè)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(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)[J].中國塑料,2009,23(2):98-103.

[6] 李世保,劉 穎,吳大鳴.注射機(jī)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(jì)劃“工程塑料高性能化制備關(guān)鍵技術(shù)的研究與開發(fā)”(2008BAE59B04)

＊聯(lián)系人,heyd@mail.buct.edu.cn