真空浸渍设备的温度控制

姜慧慧，郎新星，洛 春，董 哲

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

真空浸渍是将待浸工件置于密闭的耐压容器中抽真空，通过压差法将浸渍液注入其中，再施加一定的压力使浸渍液迅速浸透工件的缝隙，达到彻底浸渍的目的，从而解决产品的残水率和绝缘性。真空浸渍是精密铸件，陶瓷材料，高压电机、防爆电机、干式变压器、电力电容器、电缆、开关等电器和电工材料用于增加绝缘强度的必要工艺措施；是镁质耐火砖、电碳、石墨、金属铸件、木材的组织细化、改善热特性、电特性的重要工艺手段。在电子元器件行业用于对电子元器件进行真空浸渍处理，增加其介电性，提高耐腐蚀性，甚至具有密封的特性。广泛应用于电子、建材、食品、纺织等领域。

1 设备应实现的功能

该设备的研制主要是应用于电容器、变压器的干燥、脱气、灌封和绝缘。首先将电容器、变压器放入到浇注罐加热，通过加热将工件中的水分蒸发，再抽真空将蒸发的水份和工件中的气体排走；对电容器油或环氧树脂等浸渍料抽真空进行脱气处理，若不对浸渍料进行脱气处理，则浸渍过程中浸渍料存有的气泡会影响产品的绝缘性；需要进行加压工艺处理的浸渍工件待加压处理一段时间后取出产品即可，无需加压处理的抽真空结束后取出即可。这里需要注意的是，如果浸渍料的含水比例占到整个浸渍液的40%以上时，会影响设备的真空度，含水量越多，对真空度影响越大，抽真空的时间就越长。水在300 Pa的真空下抽一段时间会慢慢结冰，所以要考虑浸渍料的成分配比。

开发研制真空浸渍设备要实现的功能流程如图1所示[1]。

图1 功能流程图

2 控制系统

为了实现设备的系统功能，控制系统采用PLC的控制方案，由智能仪表及其执行器构成各自的闭环控制环路，来管理、控制参数如温度、压力和流量等，完成工艺的装载→脱水、脱气→加热→加压→出炉全过程。为了避免产生安全隐患，保证系统的正常运行，设备在整个控制过程中应有很强的时序性和逻辑性，在软件设计中添加互锁条件，使各动作严格确保相互约束或定时关系。设备的软件控制流程图如图2所示。

图2 控制流程图

3 加热系统

加热工艺对于浸渍设备来说是很重要的，加热可以将工件中的水分充分蒸发，提高工件在后续的浸渍过程中的绝缘性能；加热也可以将浸渍料中的水汽和杂质挥发；而对于一些质地比较黏稠的浸渍料，加热可以加速浸渍料的流动性，利于工件的浸渍，从而提高绝缘性和防水性。还有一些浸渍料需要加热到一定温度才能达到浸渍工艺要求。例如电容器油，一般需要加热到70～90℃，但当温度高于90℃时，电容器油的挥发性是很大的，持续的高温会带走气化的电容器油，一是影响设备的真空度，二是气化的电容器油随着真空管路进入泵组，会影响泵组的寿命，也是对浸渍料的一种浪费。但对于甲基苯油来说，比电容器油稳定，挥发性较低，可加热到120℃。相对于环氧树脂来说，由于它质地黏稠所以必须先经过加热，让其液化，才能进行浸渍，其次加热到一定温度后能够加速环氧树脂的固化，节约时间。

3.1 加热方式

对于此真空浸渍设备的加热，综合各方面因素考虑，目前常用的加热方式有4种，即：加热袋、加热板、电加热管、让脱气罐浸入导热油(或水)中，通过加热导热油(或水)对其进行加热。4种加热方式的优缺点对比详见表1。

表1 加热方式对比

如何保证加热的温度和效率，加热器的选择至关重要。加热袋的功率一般较低，达不到要求，且特别容易损坏，适合体积小加热温度低于100℃的罐体，一般小容积的料罐加热多用加热袋。加热板虽然可靠性较好但升温速率慢，加热时间较长，影响工作效率，而且笨重不易更换。导热油是均匀性最好的导体，但价格昂贵且油的散热速率很慢，影响工件的取出从而降低了工作效率，而且采用导热油不便于设备后续的维修保养；通过对这4种加热方式的对比，我们可以根据实际情况的需要来选择不同的加热方式。加热方式分为内加热和外加热，内加热的方式控温精度相对于外加热来说更精确，但内加热的方式是在罐体内部安装加热器，若在罐体底部安装加热器，则需要再安装一搅拌装置来确保温度均匀性，这种方式不适合该设备的使用环境；若在罐体内壁安装加热器，则需要做好加热器和操作区域的隔热问题，虽然可采用水冷的方式，但价格较贵，同时还要承受正负压的工作环境，也不适合该设备的使用环境。对于此设备我们从材料、形状、加热功率和许用负荷等几方面进行综合考虑，采用了电加热管的加热方式。这种加热方式方便安装，便于维修更换。这种加热管沿炉体一圈均匀放置于内壁和外壁之间，这样在结构上和原理上都可以保证炉温的均匀性，炉体内壁和外壁之间有保温材料进行填充，确保炉体的保温性能，防止热量大量的散失，影响加热效率。加热管的分布如图3所示：

图3 加热部分结构图

3.2 温度控制

该设备加热和抽真空是同时进行，而真空状态下没有气体流动，加热不能依靠气体的流动来传递，只能通过热辐射来传递，而且罐体壁的光滑度和洁净度也会影响热辐射的传递。我们所采用的加热管的加热方式属于外加热。相对于内加热来说外加热是靠罐体壁将热量传递进去，然后通过热辐射传递热量，所以外加热的滞后性比较大，这就是温度控制的难点所在也是外加热的弊端所在。因此我们采用PID(Proportion Integral Derivative Control)来进行温度控制调节。控温偶位于罐体内部，这样可以更好的对炉内的温度进行控制。需要注意的是，如果控温偶紧贴炉壁的话，虽然温度容易控制，但会影响炉内的实际温度和均匀性，所以控温偶要离炉壁一定距离。温度控制部分主要由温度控制单元SR92完成，SR92对温度进行实时PID调节。当通过热电偶采集的被测温度偏离所希望的给定值时，PID控制可根据测量信号与给定值的偏差进行比例、积分和微分运算，从而输出适当的控制信号给执行机构，促使测量值恢复到给定值，达到自动控制的效果。

根据PID控制原理，增大比例系数P将加快系统的响应，它作用于输出值较快，但不能很好稳定在一个理想的数值，不良的结果是虽能有效地克服扰动的影响，但有余差出现，过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。积分能在比例的基础上消除余差，它能对稳定后有累积误差的系统进行误差修整，减小稳态误差。微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果，它可以使系统超调量减小，稳定性增加，动态误差减小。综上所述，P—比例控制系统的响应快速性，快速作用于输出；I—积分控制系统的准确性，消除过去的累积误差；D—微分控制系统的稳定性，具有超前控制作用。在调整的时候，所要做的任务就是在系统结构允许的情况下，在这3个参数之间权衡调整，达到最佳控制效果，实现稳快准的控制特点。

图4为设备采用PID温度控制调节系统后的升温曲线，Y轴为温度值，X轴为时间，可从图中看出升温曲线平滑上升，接近PID曲线理想状态。

图4 升温曲线

3.3 PID控制原理

PID控制原理与程序流程[2]见图5，模拟控制系统

图5 基本模拟反馈控制回路

被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程，见图6。

图6 模拟PID控制系统原理框图

PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。

(1)PID调节器的微分方程：

式中：e(t)=r(t)-c(t)

(2)PID调节器的传输函数：

图7 DDC系统构成框图

数字控制系统DDC，见图7。

DDC(Direct Digital Congtrol)系统是计算机用于过程控制最典型的一种系统。微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测，并根据确定的控制规律(算法)进行计算，通过输出通道直接去控制执行机构，使各被控量达到预定的要求。由于计算机的决策直接作用于过程，故称为直接数字控制。目前DDC系统也是计算机在工业应用中最普遍的一种形式。

5 结束语

真空-压力设备的研制开发很好地解决了产品的残水虑，绝缘性等问题，同时浸渍剂可重复利用，减轻了环境污染。使用该设备浸渍产品所需时间短，效果好，大大提高了生产率。全套设备可由计算机控制，实现测量和控制的全自动化。满足了军工、航天等行业特种材料浸渍的需要。随着浸渍行业规模的扩大，浸渍设备必将具有极大的市场空间和发展前景。

目前正在进一步研究采用内加热方式的浸渍设备，实现对温度更好的控制；同时也在研发能够一人同时控制多台并能实时绘制温度、真空度曲线的浸渍设备，用来实现温度、真空度的在线监控，利用这些数据来分析炉内情况，随时调整炉内的温度、真空度，实现更高的自动化水平，节约人力成本。

[1]耿涛，闫旭宏.真空-压力浸渍设备的研制[M].大科技出版社,2009.

[2]陶永华.新型PID控制及其应用[M].机械工业出版社,1998.