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　　1、引言
　　
　　大型風(fēng)力發(fā)電機組中，風(fēng)機葉片運行的穩(wěn)定性直接決定著整個系統(tǒng)運行品質(zhì)的優(yōu)劣。在大型風(fēng)力機復(fù)合材料葉片的生產(chǎn)過程中，葉片成型模具起著至關(guān)重要的作用。其中，葉片模具的溫度是其加工成型過程中的重要工藝參數(shù)，對葉片成型模具的質(zhì)量具有很大影響。如果溫度控制的效果不佳，控制精度不高，控制系統(tǒng)的可靠性低，這些因素都將影響成型件的成型質(zhì)量，甚至可能造成模具的局部燒損，導(dǎo)致模具失效，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品交貨周期。因此，模具加熱裝置的溫度控制是風(fēng)機葉片模具成型過程中的重要技術(shù)問題。它主要包括模具加熱溫度控制和模具溫度均勻性補償平衡控制。
　　
　　模塊型PLC具有配置靈活的特點，可根據(jù)需要選擇不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配方便，便于擴展和維修。針對葉片成型模具加熱過程中區(qū)域劃分多且復(fù)雜，在注膠固化，溫控停止與合模固化過程中對溫度的動態(tài)以及靜態(tài)偏差要求嚴(yán)格的特點，設(shè)計了以歐姆龍cj1g-cpu45h-p模塊型plc作為總控制器的葉片成型模具多路溫度控制系統(tǒng)以實現(xiàn)流程控制，并且滿足葉片模具成型的工藝要求。
　　
　　2、葉片成型模具溫控系統(tǒng)工藝要求
　　
　　在感應(yīng)加熱，紅外加熱和電阻加熱等加熱方式中，對葉片模具加熱來說，電阻絲加熱具有元件經(jīng)久耐用、維修更換方便、操作簡單、成本低廉等優(yōu)點。電阻絲加熱就是在模具的玻璃鋼層中預(yù)埋加熱電阻絲，加熱電阻絲鋪設(shè)在模具加熱層（樹脂+鋁粉）之下。電阻絲加熱方式雖然應(yīng)用較普遍，但是隨著風(fēng)力機組容量的增長，風(fēng)力機葉片的尺寸隨之增大，兆瓦級大型風(fēng)力機葉片模具的加熱系統(tǒng)具有劃分區(qū)域多且復(fù)雜的特點，在這一背景下，基于電阻絲加熱方式的模具加熱系統(tǒng)就顯得缺乏可靠性，溫度不易控制，易出現(xiàn)局部溫度過高的現(xiàn)象，因此對于葉片成型模具的溫度控制系統(tǒng)就提出了更高的工藝要求。
　　
　　要具體言之，對于兆瓦級大型風(fēng)力機葉片模具而言，一般情況下求模具型腔內(nèi)加溫能力至少為80℃；模具型腔恒溫控制精度為±2℃；模具型面溫度偏差不大于4℃（指模具溫升動態(tài)過程）。成型過程的期望溫度曲線如圖1所示。　　
　　3、歐姆龍模塊型plc簡介
　　
　　歐姆龍c系列plc產(chǎn)品門類齊，型號多，功能強，適用面廣。其緊湊型結(jié)構(gòu)的微型機以cj型機zui為典型。經(jīng)過篩選，歐姆龍cj型機中的cj1g-cpu45h-p型cpu單元適用于風(fēng)電葉片成型模具的多路溫度控制。
　　
　　cj1g-cpu45h-p作為cpu單元的模塊型plc的可靠性高，抗*力強，并且適用于多路溫度控制。cj1g系列plc所具有的溫度控制單元支持2回路或4回路pid控制或on/off控制，其中2回路模式帶加熱路斷路檢測功能；同時用于pid控制的pid常數(shù)可以用自調(diào)整（at）來設(shè)定，正向操作（冷卻）或反向操作（加熱）可以任選；可以從溫度傳感器直接輸入；采樣周期為500ms；每個回路有2點內(nèi)部報警；對于2回路模式，電流互感器接到每個回路，用來檢測加熱器的斷路。
　　　　4、多路溫度控制系統(tǒng)設(shè)計
　　
　　4.1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
　　
　　由于葉片成型模具是分為多個回路進(jìn)行加熱的，故在一個總控制器用于協(xié)調(diào)各路加熱溫度的基礎(chǔ)上，每個單回路則分別進(jìn)行各自區(qū)域的溫度采集以及對溫度場的加熱，恒溫保持與冷卻工作。整個系統(tǒng)的控制原理如圖2所示。　　
　　該多路溫度控制系統(tǒng)應(yīng)主要具有4個方面的基本功能，即實時控制功能、顯示功能、數(shù)據(jù)處理功能、報警和故障處理功能。根據(jù)上述系統(tǒng)的主要功能，對該多路溫度控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。整個溫度測控系統(tǒng)的硬件包括數(shù)據(jù)采集模塊、輸出控制模塊、熱電阻、固態(tài)繼電器、人機界面及總控制器等。下面分別從溫度傳感與采集，總控制器以及執(zhí)行機構(gòu)三部分介紹該系統(tǒng)整體體系結(jié)構(gòu)。　　
　?。?）溫度傳感與采集
　　
　　以單區(qū)溫度測量為例，每個單區(qū)的型腔內(nèi)設(shè)置兩個測溫點，每個單區(qū)的控制點溫度測量使用2個歐姆龍公司的e52-p10ae型pt100熱電阻，測量的zui高溫度可以滿足溫控系統(tǒng)的工藝要求，由于葉片成型模具型腔內(nèi)測溫不導(dǎo)電，故pt100無需安裝絕緣套管。同時，采用pt100型熱電阻測溫可以有效避免采用熱電偶作為傳感器所產(chǎn)生的冷端補償誤差，提高溫度測量的度。4通道輸入模塊cj1w-ad04u進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集。
　　
　?。?）總控制器
　　
　　該多路溫控系統(tǒng)采用歐姆龍公司的cj1g-cpu45h-p模塊型plc作為總控制器來協(xié)調(diào)控制所有單回路的溫度。該plc具有內(nèi)置回路控制功能的cpu單元，可以直接實現(xiàn)多段溫度及斜率控制。根據(jù)模具溫控系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，用戶系統(tǒng)需要對以下內(nèi)容進(jìn)行程序開發(fā)：動畫顯示，編制控制策略，輸出實時曲線、歷史曲線、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，操作界面和菜單設(shè)計，外部設(shè)備連接，運行測試等。
　　
　　（3）輸出控制模塊與執(zhí)行機構(gòu)
　　
　　該系統(tǒng)采用16通道輸出控制模塊cj1w-od211通過g3na-410b型固態(tài)繼電器分別控制各單區(qū)電阻加熱絲的通斷。g3na-410b型固態(tài)繼電器可適用的輸出負(fù)載為240-480vac，可以滿足系統(tǒng)工作電壓的要求。
　　
　　該多路溫度控制系統(tǒng)的主要控制元件選型清單見表2。所配備的控制裝置zui多支持68個單回路的溫度控制。　　
　　4.2流程控制的設(shè)計
　　
　　該控制系統(tǒng)的實現(xiàn)通過在歐姆龍工控組態(tài)軟件cx-programmer上進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)來完成?；诮M態(tài)軟件開發(fā)的用戶應(yīng)用系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略5個部分構(gòu)成。具體成型過程的控制流程示意圖如圖4所示，由圖4可知，通過傳感器測量和溫度采集模塊采集到的各單回路實時溫度值均存入實時數(shù)據(jù)庫，用戶在主控窗口中調(diào)出實時數(shù)據(jù)庫即可觀察到各單回路的當(dāng)前溫度值，從而對溫度異常點做出相應(yīng)的處理。溫度采集模塊與輸出控制模塊的運行狀態(tài)可以通過設(shè)備窗口得知。與此同時，圖4中葉片模具成型過程的每一個階段里，溫升與恒溫保持等流程均以相應(yīng)的控制策略存儲在應(yīng)用系統(tǒng)中，即在每一階段運行相應(yīng)的控制策略以實現(xiàn)預(yù)期的成型流程。用戶通過用戶窗口可以得知當(dāng)前成型過程所處階段的系統(tǒng)狀態(tài)，當(dāng)用戶窗口出現(xiàn)圖4中所示的報警信息時，用戶可以根據(jù)所顯示的報警信息手動進(jìn)行各通道的加熱升溫、冷卻降溫、恒溫保持、啟動和停止等一系列動作。zui終使每一個階段的成型過程滿足工藝要求。用戶應(yīng)用系統(tǒng)5個部分具體的結(jié)構(gòu)組成如下。
　　
　　系統(tǒng)框架在主控窗口中構(gòu)建。實時數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)核心，用于管理所有的實時數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)中共建立了140個數(shù)據(jù)對象，包括4個系統(tǒng)內(nèi)建數(shù)據(jù)對象、zui多支持68個單回路，共136個溫度控制點的實時溫度數(shù)據(jù)和加熱冷卻的溫度控制閥值、開關(guān)型的控制參數(shù)以及組對象等。這些數(shù)據(jù)對象根據(jù)其實現(xiàn)功能的不同分別被賦予不同的屬性。
　　
　　設(shè)備窗口中定義了數(shù)據(jù)采集模塊cj1w-ad04u和輸出控制模塊cj1w-od211，數(shù)據(jù)采集模塊的4個通道分別與溫度控制點實時溫度數(shù)據(jù)連接，輸出控制模塊的16通道與加熱及冷卻的開關(guān)型控制參數(shù)相連接。
　　
　　用戶窗口用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)與流程的可視化。主界面顯示當(dāng)前的溫度值、設(shè)定的模具型腔恒溫控制精度，模具型面溫度偏差以及當(dāng)前的控制狀態(tài)；設(shè)計了曲線顯示窗口分別顯示每個溫度控制點和組對象的實時曲線和歷史曲線；溫度控制點設(shè)置和溫度運行控制窗口通過HMI的實時顯示后可以供操作員手動進(jìn)行各通道的加熱升溫、冷卻降溫、恒溫保持、啟動和停止等一系列動作。每個單回路在工控組態(tài)軟件中的控制邏輯組態(tài)圖見圖5。　　
　　4.3控制策略與精度分析
　　
　　由于對所有單回路都要實時保持著準(zhǔn)確的測量、pid控制和良好的人機對話接口，所以必需要有一套合理的控制算法。對于圖4中所示的控制流程通過定義相應(yīng)的運行策略來實現(xiàn)。對于每一路的電阻絲加熱或冷卻進(jìn)行單獨控制的時間循環(huán)通過設(shè)計如下的循環(huán)策略并編寫腳本程序?qū)崿F(xiàn)，當(dāng)控制點初始溫度小于所處階段的加熱閥值時，啟動加熱；當(dāng)實測溫度值達(dá)到該階段的加熱閥值時，相應(yīng)的固態(tài)繼電器斷開，停止加熱。模具的保溫主要通過運行報警策略控制電阻加熱絲的開關(guān)得以實現(xiàn)。
　　
　　與此同時，由于pid只能輸出mv值，即0~的模擬量信號，在控制系統(tǒng)中使用了cj1g-cpu45h-p模塊型PLC的tpo指令作為占空比計算工具，即可將對應(yīng)的mv值轉(zhuǎn)換為開關(guān)量的開關(guān)on/off狀態(tài)，從而實現(xiàn)了對執(zhí)行機構(gòu)的控制。
　　
　　對于實時溫度測量傳感器而言，本溫控系統(tǒng)采用的e52-p10ae型pt100度屬于b級，它的測量溫度誤差Δt=±（0.3+5×10-3t），因此其測溫誤差足以滿足±0.7℃的溫度測量誤差要求。同時由于系統(tǒng)設(shè)計的中斷控制程序能夠保證對所有單回路進(jìn)行控制操作的實時性，所以可以滿足葉片模具成型過程中各分區(qū)型腔內(nèi)對溫度±2℃的靜態(tài)偏差要求以及模具型面溫升過程中不大于4℃的動態(tài)偏差要求。
　　
　　占空比系數(shù)是根據(jù)測量值與設(shè)定值的偏差大小、加熱速率確定的，偏差越大，占空比越大，加熱時間就越長。待下次的測量值出現(xiàn)，重新調(diào)節(jié)占空比，直到達(dá)到恒溫階段，這個時候系統(tǒng)的加熱/冷卻達(dá)到平衡。若恒溫過程中出現(xiàn)干擾時，如環(huán)境突然的變化破壞了恒溫階段平衡，此時系統(tǒng)會自動地調(diào)節(jié)占空比，使之重新達(dá)到平衡。
　　
　　4、結(jié)束語
　　
　　本文將歐姆龍plc應(yīng)用于風(fēng)電葉片成型模具多路溫度控制當(dāng)中，所設(shè)計的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，成本低廉，安全可靠。以歐姆龍模塊型plc及相應(yīng)外圍元件構(gòu)成硬件環(huán)境，以pid為基本控制算法的支持軟件，對多路溫度的測量、流程控制與控制算法進(jìn)行了有效的設(shè)計，保證了測量、控制的實時性，不會因為路數(shù)過多而影響控制精度?？梢杂行Ы鉀Q溫升與恒溫過程中各區(qū)之間溫度不均勻的問題。分析結(jié)果表明，cj1g-cpu45h-p模塊型plc可以滿足對葉片成型模具多路溫度的控制要求，在相關(guān)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。