歐姆龍PLC在葉片成型模具多路溫度控制中的應用

　　1 引言

　　大型風力發電機組中，風機葉片運行的穩定性直接決定著整個系統運行品質的優劣。在大型風力機復合材料葉片的生產過程中，葉片成型模具起著至關重要的作用。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，對葉片成型模具的質量具有很大影響。如果溫度控制的效果不佳，控制精度不高，控制系統的可靠性低，這些因素都將影響成型件的成型質量，甚至可能造成模具的局部燒損，導致模具失效，嚴重影響生產效率和產品交貨周期。因此，模具加熱裝置的溫度控制是風機葉片模具成型過程中的重要技術問題。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[1-2]。

　　模塊型plc具有配置靈活的特點，可根據需要選擇不同規模的系統，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域劃分多且復雜，在注膠固化，溫控停止與合模固化過程中對溫度的動態以及靜態偏差要求嚴格的特點，設計了以歐姆龍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以實現流程控制，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工藝要求

　　在感應加熱，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久耐用、維修更換方便、操作簡單、成本低廉等優點。電阻絲加熱就是在模具的玻璃鋼層中預埋加熱電阻絲，加熱電阻絲鋪設在模具加熱層(樹脂+鋁粉)之下[3]。電阻絲加熱方式雖然應用較普遍，但是隨著風力機組容量的增長，風力機葉片的尺寸隨之增大，兆瓦級大型風力機葉片模具的加熱系統具有劃分區域多且復雜的特點，在這一背景下，基于電阻絲加熱方式的模具加熱系統就顯得缺乏可靠性，溫度不易控制，易出現局部溫度過高的現象，因此對于葉片成型模具的溫度控制系統就提出了更高的工藝要求。

　　具體言之，對于兆瓦級大型風力機葉片模具而言，一般情況下要求模具型腔內加溫能力至少為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產品門類齊，型號多，功能強，適用面廣。其緊湊型結構的微型機以cj型機最為典型。經過篩選，歐姆龍cj型機中的cj1g-cpu45h-p型cpu單元適用于風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，抗干擾能力強，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常數可以用自調整(at)來設定，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 多路溫度控制系統設計

　　4.1 系統體系結構

　　由于葉片成型模具是分為多個回路進行加熱的，故在一個總控制器用于協調各路加熱溫度的基礎上，每個單回路則分別進行各自區域的溫度采集以及對溫度場的加熱，恒溫保持與冷卻工作。整個系統的控制原理圖如圖2所示。

　　該多路溫度控制系統應主要具有4個方面的基本功能，即實時控制功能、顯示功能、數據處理功能、報警和故障處理功能[4]。根據上述系統的主要功能，對該多路溫度控制系統的總體結構進行設計，系統總體結構示意圖如圖3所示。整個溫度測控系統的硬件包括數據采集模塊、輸出控制模塊、熱電阻、固態繼電器、人機界面及總控制器等。下面分別從溫度傳感與采集，總控制器以及執行機構三部分介紹該系統整體體系結構。

　　(1)溫度傳感與采集

　　以單區溫度測量為例，每個單區的型腔內設置兩個測溫點，每個單區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，測量的最高溫度可以滿足溫控系統的工藝要求，由于葉片成型模具型腔內測溫不導電，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生的冷端補償誤差，提高溫度測量的精確度。4通道輸入模塊cj1w-ad04u進行溫度數據采集。

　　(2)總控制器

　　該多路溫控系統采用歐姆龍公司的cj1g-cpu45h-p模塊型plc作為總控制器來協調控制所有單回路的溫度。該plc具有內置回路控制功能的cpu單元，可以直接實現多段溫度及斜率控制。根據模具溫控系統所要實現的功能，用戶系統需要對以下內容進行程序開發：動畫顯示，編制控制策略，輸出實時曲線、歷史曲線、實時數據、歷史數據，操作界面和菜單設計，外部設備連接，運行測試等。

　　(3)輸出控制模塊與執行機構

　　該系統采用16通道輸出控制模塊cj1w-od211通過g3na-410b型固態繼電器分別控制各單區電阻加熱絲的通斷。g3na-410b型固態繼電器可適用的輸出負載為240-480vac，可以滿足系統工作電壓的要求。

　　該多路溫度控制系統的主要控制元件選型清單見表2。所配備的控制裝置最多支持68個單回路的溫度控制。

　　4.2 流程控制的設計

　　該控制系統的實現通過在歐姆龍工控組態軟件

　　cx-programmer上進行應用系統開發來完成。基于組態軟件開發的用戶應用系統，其結構由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略5個部分構成。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據庫，用戶在主控窗口中調出實時數據庫即可觀察到各單回路的當前溫度值，從而對溫度異常點做出相應的處理。溫度采集模塊與輸出控制模塊的運行狀態可以通過設備窗口得知。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的控制策略存儲在應用系統中，即在每一階段運行相應的控制策略以實現預期的成型流程。用戶通過用戶窗口可以得知當前成型過程所處階段的系統狀態，當用戶窗口出現圖4中所示的報警信息時，用戶可以根據所顯示的報警信息手動進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。最終使每一個階段的成型過程滿足工藝要求。用戶應用系統5個部分具體的結構組成如下。

　　系統框架在主控窗口中構建。實時數據庫是系統核心，用于管理所有的實時數據。該系統中共建立了140個數據對象，包括4個系統內建數據對象、最多支持68個單回路，共136個溫度控制點的實時溫度數據和加熱冷卻的溫度控制閥值、開關型的控制參數以及組對象等。這些數據對象根據其實現功能的不同分別被賦予不同的屬性。

　　設備窗口中定義了數據采集模塊cj1w-ad04u和輸出控制模塊cj1w-od211，數據采集模塊的4個通道分別與溫度控制點實時溫度數據連接，輸出控制模塊的16通道與加熱及冷卻的開關型控制參數相連接。

　　用戶窗口用于實現數據與流程的可視化。主界面顯示當前的溫度值、設定的模具型腔恒溫控制精度，模具型面溫度偏差以及當前的控制狀態;設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軟件中的控制邏輯組態圖見圖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的運行策略來實現。對于每一路的電阻絲加熱或冷卻進行單獨控制的時間循環通過設計如下的循環策略并編寫腳本程序實現，當控制點初始溫度小于所處階段的加熱閥值時，啟動加熱;當實測溫度值達到該階段的加熱閥值時，相應的固態繼電器斷開，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得以實現。

　　與此同時，由于pid只能輸出mv值，即0~100%的模擬量信號，在控制系統中使用了cj1g-cpu45h-p模塊型plc的tpo指令作為占空比計算工具，即可將對應的mv值轉換為開關量的開關on/off狀態，從而實現了對執行機構的控制。

　　對于實時溫度測量傳感器而言，本溫控系統采用的e52-p10ae型pt100精確度屬于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。同時由于系統設計的中斷控制程序能夠保證對所有單回路進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型腔內對溫度±2℃的靜態偏差要求以及模具型面溫升過程中不大于4℃的動態偏差要求。

　　占空比系數是根據測量值與設定值的偏差大小、加熱速率確定的，偏差越大，占空比越大，加熱時間就越長[5]。待下次的測量值出現，重新調節占空比，直到達到恒溫階段，這個時候系統的加熱/冷卻達到平衡。若恒溫過程中出現干擾時，如環境突然的變化破壞了恒溫階段平衡，此時系統會自動地調節占空比，使之重新達到平衡。

　　4 結束語

　　本文將歐姆龍plc應用于風電葉片成型模具多路溫度控制當中，所設計的控制系統結構穩定，成本低廉，安全可靠。以歐姆龍模塊型plc及相應外圍元件構成硬件環境，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行了有效的設計，保證了測量、控制的實時性，不會因為路數過多而影響控制精度。可以有效解決溫升與恒溫過程中各區之間溫度不均勻的問題。分析結果表明，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，在相關領域具有良好的應用前景。