CN114311576A - 一种温度控制系统、注塑机 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种温度控制系统、注塑机，温度控制系统连接注塑控制系统以及注塑模具的热流道系统，以对注塑模具进行温度控制，温度控制系统包括：输入输出模块，连接热流道系统；温控模块，连接输入输出模块，用于获取热流道系统检测的感温信号，根据感温信号生成温控信号，并根据温控信号对热流道系统进行温度控制；通讯模块，连接输入输出模块、温控模块和注塑控制系统，用于将热流道系统的配置参数和/或状态参数发送给注塑控制系统以进行显示，以及获取注塑控制系统的控制指令，以对热流道系统进行控制。通过上述方式，便于员工操作，降低了员工成本，同时提高了热流道模具的生产效率和质量。

Description

一种温度控制系统、注塑机

技术领域

本申请涉及温度控制领域，尤其涉及一种温度控制系统、注塑机。

背景技术

现有的热流道模具注塑成型过程中往往需要专用的热流道温度控制装置对热流道系统的温度进行单独设定与控制，同时还需要注塑控制系统进行注塑成型工艺参数(如料筒温度、注塑速度、注塑压力、保压压力等)的设定与控制，才能完成热流道模具的注塑生产，造成热流道注塑成型的硬件生产成本高、操作复杂、不利于注塑成型工艺参数和热流道温度参数的集成设定与控制，且热流道温度控制精度不高(一般在±1-2℃)、影响注塑产品的质量等缺点。

发明内容

本申请主要解决的技术问题是提供一种温度控制系统、注塑机，提高热流道模具的温度控制精度和生产效率。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种温度控制系统，所述温度控制系统连接注塑控制系统以及注塑模具的热流道系统，以对所述注塑模具进行温度控制，所述温度控制系统包括：输入输出模块，连接所述热流道系统；温控模块，连接所述输入输出模块，用于获取所述热流道系统检测的感温信号，根据所述感温信号生成温控信号，并根据所述温控信号对所述热流道系统进行温度控制；通讯模块，连接所述输入输出模块、所述温控模块和所述注塑控制系统，用于将所述热流道系统的配置参数和/或状态参数发送给注塑控制系统以进行显示，以及获取所述注塑控制系统的控制指令，以对所述热流道系统进行控制。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种注塑机，所述注塑机包括依次连接的热流道系统、温度控制系统以及注塑控制系统，其中，所述温度控制系统为上述温度控制系统。

本申请实施例的有益效果是：区别于现有技术，本申请提供一种温度控制系统，所述温度控制系统连接注塑控制系统以及注塑模具的热流道系统，以对所述注塑模具进行温度控制，所述温度控制系统包括：输入输出模块，连接所述热流道系统；温控模块，连接所述输入输出模块，用于获取所述热流道系统检测的感温信号，根据所述感温信号生成温控信号，并根据所述温控信号对所述热流道系统进行温度控制；通讯模块，连接所述输入输出模块、所述温控模块和所述注塑控制系统，用于将所述热流道系统的配置参数和/或状态参数发送给注塑控制系统以进行显示，以及获取所述注塑控制系统的控制指令，以对所述热流道系统进行控制。由于现有技术中热流道注塑成型工艺需要对热流道系统温度和注塑成型工艺参数进行分别控制，且各热流道涉及多品牌，多型号，设备的温控系统执行的标准不统一，精确度不一致，结合企业在实际生产里带来产品和管理成本上的增加，亦无法统一操作标准，难以实现产品质量统一化。本发明实现了热流道温度和注塑成型工艺的集成管控，便于员工操作，降低了员工成本，同时提高了热流道模具的生产效率和质量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1为本申请提供的注塑机一实施例的结构示意图；

图2为本申请提供的温度控制系统一实施例的结构示意图；

图3为本申请提供的温度控制系统另一实施例的结构示意图；

图4为图2中温控模块的面板一实施例的结构示意图；

图5为图3中显示模组一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参阅图1，图1是本申请提供的注塑机一实施例的结构示意图，该注塑机包括热流道系统100、温度控制系统200以及注塑控制系统300。

其中，热流道系统(Hot Runner Systems)100是在注塑模具中使用的，将融化的塑料粒子注入到模具的型腔中的加热组件系统。其具体是通过加热的办法来保证流道和浇口的塑料保持熔融状态，由于在流道附近或中心设有加热棒和加热圈，从注塑机喷嘴出口到浇口的整个流道都处于高温状态，使流道中的塑料保持熔融，停机后一般不需要打开流道取出凝料，再开机时只需加热流道到所需温度即可。因此，热流道工艺有时称为热集流管系统，或者称为无流道模塑。可选地，热流道系统100可以包括热流道板、热咀和加热元件等。

其中，注塑控制系统300用于对注塑过程的料筒温度、压力、速度、位移等。常用的注塑控制系统300有三种，即传统继电器型、可编程控制器型和微机控制型，其中，可编程控制器型在实际应用中较多。注塑控制系统300主要包含两大部分，一是温度控制系统，以对料筒、熔体和模具的温度进行控制；二是运动控制系统，以对注塑过程的压力、速度、位移进行多级切换。

其中，温度控制系统200连接热流道系统100和注塑控制系统300，一方面，温度控制系统200用于对热流道系统100的温度进行监测，将温度控制系统200的温度参数反馈给注塑控制系统300，另一方面，温度控制系统200还接收注塑控制系统300对温度参数的调整，并基于注塑控制系统300的控制指令对热流道系统100的温度进行控制。

下面通过几个具体的实施例对温度控制系统200进行介绍。

参阅图2，图2是本申请提供的温度控制系统一实施例的结构示意图，该温度控制系统200包括输入输出模块210、温控模块220和通讯模块230。

其中，输入输出模块210，连接热流道系统100；温控模块220，连接输入输出模块210，用于获取所述热流道系统100检测的感温信号，根据感温信号生成温控信号，并根据温控信号对热流道系统100进行温度控制；通讯模块230，连接输入输出模块210、温控模块220和注塑控制系统300，用于将热流道系统100的配置参数和/或状态参数发送给注塑控制系统300以进行显示，以及获取注塑控制系统300的控制指令，以对热流道系统100进行控制。

可选地，输入输出模块210包括输出接口模块。输出接口模块，主要技术指标包括但不限于：G1固态继电器驱动电压输出模块(DC15V/30mA)，I5光电隔离的模拟量电流输出模块，U5光电隔离的模拟量电压输出模块，J6继电器触点输出模块(250VAC/0.8A，常开)，T5光电隔离的单路可控硅过零触发模块，V6隔离的12V/50mA馈电输出模块，V7隔离的24V/50mA馈电输出模块。

可选地，温控模块220采用了四路采样输入，并包含了各种常用分度号的热电偶、热电阻、标准电压、标准电流等信号，快速准确的非线性校正算法，保证了数字化采样的精度。其包括硬件子模块、软件算法子模块以及滤波子模块。

可选地，硬件子模块包括但不限于可采用厦门安东的LU-926U04Y四路调节子模块，LU-926U04Y四路调节子模块采用的是一种高性能、高稳定性的智能工业调节仪表。其中，可对轻工机械、制冷制热设备的温度、流量、压力和液位等进行控制，其采用的智能调节是综合了温控器传统PID控制和模糊理论的一种新型算法，具有响应快、超调小、稳态精度高等特点。根据热流道模具的实际情况，可配置1个或多个硬件子模块，通过串联方式实现多路热流道系统的温度控制。软件子模块基于硬件子模块对其进行底层程序编辑，实现热流道的温度控制。

PID控制全称为Proportional Integral Derivative，中文为比例积分微分控制，是指根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。模糊理论是指用到了模糊集合的基本概念或连续隶属度函数的理论，它是在模糊集合理论的数学基础上发展起来的,主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面的内容。

可选地，硬件子模块的主要技术指标包括但不限于，输入规格及量程范围：热电偶：S(-50～1768)、R(-50～1768)、B(250～1820)、K(-200～1372)、N(-200～1300)、(-200～1000)、J(-200～1200)、T(-200～400)，热电阻：PT100(-200～800)、Cu50(-50～150)、Cu100(-50～150)；测量精度：0.2级(±0.2％FS±1个字)；冷端补偿：±1℃；采样分辨率：1℃或0.1℃；采样周期：0.5秒；断偶断阻超量程检测：显示5b；控制方式：位式控制、手动控制、带自整定功能的PID人工智能调节；输出方式：SSr固态继电器触发输出(15VDC/30mA)、可控硅过零触发输出；报警功能：4组报警寄存器，自由对应到各输出位置；电源电压：18-52VDC；整机功耗：小于4W；使用环境：温度-10～+60℃，湿度0～80RH％。

可选地，在注塑成型操作之前，需要将热流道中的塑料从室温加热至所需的操作温度，为了达到最快的升温速度(即最短升温时间)，软件算法子模块在初始升温段采用了基于时间最优控制方法(TOC)，在快速升温的同时保证微小的温度超调；在正常操作状态下采用预测模型控制的方法实现热流道的稳态温度控制。

可选地，时间最优控制方法可以采用以下公式进行操作：

假设其数学模型为带滞后的二阶系统的传递函数：

其中，Y(s)为温度输出，U(s)为加热功率输入，k为放大系数，τ为时间常数，ζ为阻尼比；采用拉普拉斯变化到时域模型为：

其中状态变量为

其中，x₁为热流道温度，x₂为温度上升的斜率；系统的状态空间模型可表示为：

式中，

热流道加热系统的控制输入为加热圈功率，其满足的约束条件为：U^-≤u(t)≤U⁺；当热流道加热的目标是达到设定温度R时，系统的超调量为0，那么系统的初始状态和最终状态可分别表示为：

其哈密尔顿函数可表示为：H(x(t),u(t),λ(t),t)＝1+[Ax(t)]′λ(t)+u′(t)B′λ(t)，依据Pontryagin最小值原理，可得：1+[Ax^*(t)]′λ^*(t)+u^*′(t)B′λ^*(t)≤1+[Ax^*(t)]′λ^*(t)+u′(t)B′λ^*(t)，即u^*′(t)B′λ^*(t)≤u′(t)B′λ^*(t)，将

代入该公式可以得到：

显然放大系数k为正值，可得：

基于上述求解过程，在已知热流道升温系统数学传递函数模型的前提下，可求解出热流道加热功率输出切换点，满足基于时间最优的控制方法。

可选地，模型预测控制是20世纪80年代初发展起来的一类新型计算机控制算法，该算法采用了多步预测、滚动优化和反馈校正几个关键步骤设计控制策略。在热流道温度的多变量模型预测控制中考虑的是一个具有n个输出变量，m个输入变量的过程的CARIMA形式的模型：

式中，A(z^-1)和C(z^-1)为n×n多项式矩阵，B(z^-1)是一个n×m的多项式矩阵，算子Δ是代表差分，定义为Δ＝1-z^-1，y(t)、u(t)和ε(t)分别是t时刻的n×1维输出向量、m×1维输入向量和n×1维噪声向量，这里的噪声被假设成为白噪声。模型预测控制的控制器设计就是基于以上模型，并以如下公式为目标函数而进行的优化过程：

式中，

为根据截止到当前时刻t的数据而作出的j步时刻后的预测，N1和N2分别是最小和最大预测范围，w(t+j)是未来j步时刻后的设定值，Nu为步长，R和Q是正定的限制矩阵。通过优化这个目标函数，可以获得最优控制律。对未来的预测可以写成向量的形式：

式中，G是一个NxN的矩阵，它由过程模型计算而出，f是一个依赖于G、已知的过去信息的Nx1维向量。所有的向量为Nx1维，可得：

u＝[Δu(t),Δu(t+1),...,Δu(t+N-1)]^T，最后控制率的形式为：u＝(G^TG+λI)^-1G^T(w-f)。热流道温度模型为一个多变量的模型，例如以三段式热咀为例，可以假设只有相邻的两个温度段之间存在耦合关系，上述模型经简化、整理、离散后成如下形式：Y(k+1)＝AY(k)+BU(k-d)+E(k)，式中，d为温度的滞后，E(k)为随机噪声，此外，

式中，参数矩阵A的非对角线元素即为相邻两个温度段的耦合关系。建模完成并设计好控制率后，还需要在生产过程中在线应用迭代最小二乘的方法对模型进行不断的更新，以使模型更加适应不断变化的工况，达到最佳的控制效果。

可选地，滤波子模块用于对热流道系统100检测的感温信号进滤波处理，在实际的工业生产中，温度往往使用热电偶进行控制，热电偶得到的是一个微弱的毫伏级信号，很容易受到各种干扰，会引起所读取当前温度的跳动，从而在温度显示上以及控制上都会带来波动，因此需要进行滤波处理。

可选地，考虑到温度是在短时间内不会突然变化的慢变信号，因此引入噪声尖峰滤波方法来去除尖峰。噪声尖峰滤波可以通过以下公式描述：

式中，n为样本索引，x(n)为原始测量数据，T(n)为过滤数据，ΔT为连续样本之间的最大允许温度变化，可根据信号的特性选择。

可选地，通讯模块230采用S4(RS485)等通讯模块，基于标准MODBUS-RTU、Modbus、OPC、RS232、RS485、TCP/IP等通讯协议，实现与注塑控制系统300的通讯。

传统注塑控制系统无法对热流道系统的温度进行控制，而本实施例中温度控制系统200中的温控模块220可以通过输入输出模块210连接热流道系统100从而实现对热流道系统100的温度控制，而注塑控制系统300通过通讯模块230连接其温控模块220和输入输出模块210，从而通过温控模块220间接实现对热流道系统100的控制。

区别于现有技术，本申请提供一种温度控制系统200，温度控制系统200连接注塑控制系统300以及注塑模具的热流道系统100，以对注塑模具进行温度控制，所述温度控制系统200包括：输入输出模块210，连接热流道系统100；温控模块220，连接输入输出模块210，用于获取热流道系统100检测的感温信号，根据感温信号生成温控信号，并根据温控信号对热流道系统100进行温度控制；通讯模块230，连接输入输出模块210、温控模块220和注塑控制系统300，用于将热流道系统100的配置参数和/或状态参数发送给注塑控制系统300以进行显示，以及获取注塑控制系统300的控制指令，以对热流道系统100进行控制。由于现有技术中热流道注塑成型工艺需要对热流道系统温度和注塑成型工艺参数进行分别控制，且各热流道涉及多品牌，多型号，设备的温控系统执行的标准不统一，精确度不一致，结合企业在实际生产里带来产品和管理成本上的增加，亦无法统一操作标准，难以实现产品质量统一化。本发明实现了热流道温度和注塑成型工艺的集成管控，便于员工操作，降低了员工成本，同时提高了热流道模具的生产效率和质量。

参阅图3，图3是本申请提供的温度控制系统另一实施例的结构示意图。

温度控制系统200包括温控模块220、通讯模块230、输入输出模块210以及开关模块240，热流道系统100包括加热组件110，注塑控制系统300包括显示模组310。开关模块240连接温控模块220，并通过输入输出模块210连接加热组件110，开关模块240响应于温控信号以对应的开关频率导通/切断加热组件与电源之间的通路，以对加热组件110进行温度控制，通讯模块230用于将通过输入输出模块210获得的热流道系统100的配置参数和/或状态参数发送给注塑控制系统300，以使显示模组310显示配置参数和/或状态参数。

可选地，输入输出模块210包括输出接口模块和排线模块。排线模块包括三部分，分别与热流道系统100的接线端盒子、通讯模块230以及开关模块240相连，根据安全性和通讯的需求，为了保证考虑到温度加热的发热功率和线路安全性，强电部分的排线全部换为粗线，并且连接热流道系统100的接线端盒子的排线改为专业热流道线。

可选地，开关模块240为固态继电器或者交流接触器。固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多。交流接触器的特点是较耐环境温度高且容大功率运行。

可选地，本实施例在传统注塑控制系统中增加了显示模组310，注塑控制系统300与温度控制系统200中的通讯模块230相连从而获得热流道系统100的配置参数和/或状态参数，并通过显示模组310进行显示其配置参数和/或状态参数，除此之外，显示模组310还用于显示一人机交互界面，用于获取基于所述配置参数的控制指令，以通过通讯模块230对温控模块220的控制从而对热流道系统100进行控制。在注塑成型工程中，只需要在显示模组310中对注塑成型工艺所需参数进行设定，如料筒温度、速度、压力等，并在料筒中放入已事先按要求烘干处理的塑料原料，即可完成热流道模具的试模和注塑生产。

可选地，在实际使用中，温控模块220安装在铝板上放置于注塑机的电柜中，温控模块220与固定在注塑机机台上的端子连接，固定在注塑机台上的端子与热流道模具上的接线盒相连。

参阅图4，图4为图2中温控模块的面板一实施例结构示意图。

其中，A点表示为OUT1～4指示灯对应4路输出，B点为设置键，进入参数设置状态，进入给定值修改，确定参数修改等，C点为左移键，参数设置过程中数据移位，D点为下键，参数设置中参数值，显示通道自动切换等，E点为上键，参数设置中参数值，显示手动切换通道等，F点为下显示窗，显示给定值SV、输出百分比MV、参数值等，G点为上显示窗，显示测量值PV、参数代码，H点为CH1～4指示灯对应当前显示通道。

可选地，界面常规显示状态包含五个显示状态，正常状态、给定值设置界面、参数锁界面、手动控制界面，下显示窗内容设置为DIS＝MV时的显示状态。

可选地，在主界面状态下长按设置键并保持2秒，进入参数设置界面。在参数设置界面，短按设置键保存当前输入，并进入下一个参数设置界面；短按上键、下键和左移健可以改变光标位置；长按左移健并保持2秒返回上一个参数设置界面；短按上键和下键进行增加和减少当前光标锁定的操作位上的数值。参数设置界面长按设置键并保持2秒，返回主界面。

参阅图5，图5为图3中显示模组一实施例结构示意图。

显示界面下方显示主界面、温度、设定、曲线以及热流道这五个功能区，本实施例显示界面为热流道区的使用界面，“热流道功能”显示使用时，电热按键打开并且温度范围在480度以下(断电温度)或者800度以上(感温线断开)，此时模块通电，启动采集程序。本实施例只显示了模块1的使用情况，实际可以在一个页面添加其他模块2、3、4等使用情况，只有对其模块进行使用时才有权修改对应模块的参数设置并且对其模块数据进行采集，“模块1使用”后面设置使用或者不用，“感温线类型”有K型或者J型，“实际值”指模块1采集过来的温度数据，“设定值”可以写入对其模块温度的设定值，“功能使用”用于对每个模块的温度通道设置使用或不用，不用就不做采集和写入动作，“加热功率”显示对模块采集过来的加热功率进行显示。

在本申请所提供的几个实施方式中，应该理解到，所揭露的方法以及设备，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施方式仅仅是示意性的；例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式；例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施方式方案的目的。

另外，在本申请各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是根据本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种温度控制系统，其特征在于，所述温度控制系统连接注塑控制系统以及注塑模具的热流道系统，以对所述注塑模具进行温度控制，所述温度控制系统包括：

输入输出模块，连接所述热流道系统；

温控模块，连接所述输入输出模块，用于获取所述热流道系统检测的感温信号，根据所述感温信号生成温控信号，并根据所述温控信号对所述热流道系统进行温度控制；

通讯模块，连接所述输入输出模块、所述温控模块和所述注塑控制系统，用于将所述热流道系统的配置参数和/或状态参数发送给所述注塑控制系统以进行显示，以及获取所述注塑控制系统的控制指令，以对所述热流道系统进行控制。

2.根据权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，

所述热流道系统包括加热组件；

所述温度控制系统还包括：

开关模块，连接所述温控模块，并通过所述输入输出模块连接所述加热组件，所述开关模块响应于所述温控信号以对应的开关频率导通/切断所述加热组件与电源之间的通路，以对所述加热组件进行温度控制。

3.根据权利要求2所述的温度控制系统，其特征在于，

所述开关模块为固态继电器或交流接触器。

4.根据权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，

所述温控模块包括：

硬件子模块，所述硬件子模块基于PID控制和/或模糊理论对所述热流道系统进行温度控制；和/或

软件子模块，所述软件子模块在所述热流道系统的温度调整阶段采用基于时间最优控制方法对所述热流道系统进行温度控制，在所述热流道系统的温度保持阶段采用预测模型控制方法对所述热流道系统进行温度控制。

5.根据权利要求4所述的温度控制系统，其特征在于，

所述硬件子模块的控制指标包括以下的至少一种：

输入规格及量程范围、测量精度、冷端补偿、采样分辨率、采样周期、断偶断阻超量程检测、控制方式、输出方式、报警功能、电源电压、整机功率、使用环境。

6.根据权利要求4所述的温度控制系统，其特征在于，

所述软件子模块用于：

确定传递函数，并根据所述传递函数确定所述热流道系统的状态空间模型；

根据目标温度，确定所述热流道系统的状态函数；

根据所述状态空间模型和所述状态函数，确定所述热流道系统的第一温度控制模型。

7.根据权利要求4所述的温度控制系统，其特征在于，

所述软件子模块用于：

确定预测控制模型；

利用设定目标函数对所述预测控制模型进行优化，以得到所述预测控制模型的向量表达形式；

根据所述预测控制模型的向量表达形式，确定所述热流道系统的第二温度控制模型。

8.根据权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，

所述温控模块还包括：

滤波子模块，用于对所述热流道系统检测的感温信号进行滤波处理。

9.根据权利要求1所述的温度控制系统，其特征在于，

所述注塑控制系统包括一显示模组；

所述通讯模块用于将所述热流道系统的配置参数和/或状态参数发送给注塑控制系统，以使所述显示模组显示所述配置参数和/或状态参数；

所述显示模组还用于显示一人机交互界面，用于获取基于所述配置参数的控制指令，以对所述热流道系统进行控制。

10.一种注塑机，其特征在于，所述注塑机包括依次连接的热流道系统、温度控制系统以及注塑控制系统，其中，所述温度控制系统是如权利要求1-9任一项所述的温度控制系统。

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