MW級風力發電葉片模具溫度控制系統設計

楊 帥，尹秀云，翟 輝

YANG Shuai,YIN Xiu-yun,ZHAI Hui

（中材科技風電葉片股份有限公司，北京 102101）

0 引言

在MW級大型風電葉片制造過程中，葉片模具溫度對產品質量有著至關重要的影響，如果溫度控制出現異常，極易導致風電葉片產品TG值不合格葉片報廢、風電葉片模具玻璃鋼內結構燒糊碳化，嚴重時造成風電葉片模具著火等事故。因此，溫度控制技術是風力發電葉片成型過程中的關鍵技術。在MW級大型風力發電葉片制造中，對真空灌注樹脂的灌注及固化溫度、葉片腹板粘接固化溫度均有嚴格要求，不同工藝對加熱溫度及升溫速率、模具不同區域所需溫度等均不相同。

目前MW級大型風力發電葉片生產制造主要有水循環間接加熱及純電阻絲直接加熱兩種控制方式。水循環加熱方式主要通過加熱器將水加熱到設定溫度，通過水泵使之循環流經銅導熱管將熱量傳遞至所需加熱設備。此種方法存在升溫速度慢、加熱效率不高、熱能浪費、模具重量大大增加等缺陷，在溫度要求高于100度的碳纖維材料加熱成型過程中，水加熱系統則無法達到要求。純電阻絲直接加熱則能夠有效避免上述缺陷。在電加熱溫度控制方面，隨著風電葉片尺寸的增加，葉片成型模具加熱存在區域劃分較多、溫度控制不均勻、局部溫度過高或過低等問題，因此對溫度控制系統有著更高更嚴格的要求。

本文根據工業實際經驗就多路電阻絲直接加熱控制系統進行詳細闡述，本系統以西門子S7-200系列PLC為核心，結合人機界面技術、傳感檢測回路、執行控制單元、PID控制算法等組成一個63路閉環智能溫度控制系統。

1 控制系統設計

本控制系統由S7-200PLC（224XP）、溫度檢測模塊EM231、人機組態、電阻加熱絲、過零型固態繼電器、PT100熱電阻溫度傳感器、報警模塊等組成。熱電阻傳感器將所檢測模擬量信號傳送至PLC溫度控制模塊EM231，CPU根據標準信號所對應實際溫度與所設定控制溫度進行自動運算，通過調節電阻加熱絲兩端電壓實現自動控制電阻加熱絲溫度。系統原理圖如圖1所示。

圖1 溫控系統原理框圖

人機界面實現：在本系統中選用臺式計算機作為人機對話媒介，人機界面組態使用組態王實現，能夠在此控制系統監控層次上構建動態、友好型人機對話界面。在監控畫面中，溫度控制曲線及歷史數據分別進行設置及保存。部分溫度控制曲線如圖2所示。

圖2 腹板粘接溫度升溫曲線

圖2中，橫坐標代表設定升溫時間，縱坐標代表對應目標溫度。報警保護回路：根據設定溫度及允許上、下限，若當前檢測溫度超出溫度允許上限且通過PID自動控制五分鐘內未能達到調節目的，則加熱控制回路自動斷開、溫度超高蜂鳴器進行報警并在人機界面上顯示溫度超高；若當前檢測溫度低于溫度允許下限且通過PID自動調節二十分鐘內未能達到調節目的，則溫度過低蜂鳴器進行報警并在人機界面上顯示溫度過低；在控制回路中分別串接中間繼電器，以便在固態繼電器擊穿失效之后能夠通過切斷中間繼電器達到控制目的。

聲光報警系統由一個蜂鳴器和綠、黃、紅三個指示燈組成，根據不同結果報警系統分別點亮不同指示燈或蜂鳴器。

2 控制算法實現

本系統控制分動態控制盒靜態控制兩種控制算法，其中靜態控制指加熱區域檢測溫度達到設定目標溫度后所進行恒溫保溫控制[1]。

本控制系統采用經典PID控制算法，由PID控制器及控制對象構成，PID控制器根據預先溫度設定值r(t)與實際溫度檢測值c(t)構成溫度控制偏差e(t)=r(t)-c(t)，通過PID運算計算出控制量u(t)，無論什么原因造成系統出現控制偏差，系統自動產生一個相應作用減小或消除此控制偏差，使被控量與期望值趨于一致[2]，本系統中u(t)周期為10s。PID控制規律為：

式中：Kp為比例系數，Ti為積分時間，Td為微分時間，e為偏差，U0為e=0時所起控制作用，即控制量基準。控制結構如圖3所示。

圖3 PID控制結構圖

為提高控制精度，各加熱回路均保持動態溫度檢測、PID溫度控制以及溫度顯示，并通過友好人機對話界面直觀顯示。在加熱控制過程中，根據預設升溫時間及升溫目標溫度自動生成加熱升溫及保溫曲線，程序根據溫度曲線運行，當前溫度大于等于設定溫度時，加熱系統關閉輸出回路切斷固態繼電器工作狀態停止該回路加熱；當前溫度低于設定溫度5℃以上時，加熱系統全功率進行加熱；當前溫度低于設定溫度5℃以內時，系統進行PID調節加熱，通過PID運算輸出周期為10S、占空比動態更改的PWM控制波形，通過PWM控制調節過零型固態繼電器接通及斷開時間自動調節加熱。PID參數的整定采用反應曲線法，通過實驗按照經驗公式對控制器參數進行整定[3]。

圖4所示為加熱階段主控制流程示意圖，控制系統基于西門子STEP 7 - MicroWIN V4.0編程軟件進行編程并仿真，人機對話窗口使用組態王進行組態，主要實現測量數據與進程的可視化，界面能夠動態顯示各個加熱區域當前溫度、加熱功率、當前目標溫度，能夠直觀顯示出當前加熱所使用加熱曲線等。

3 加熱效果分析

本控制系統所采用PT100熱電阻溫度傳感器為B級精度，溫度系數計算為：

通過計算TCR=0.003851。在測量溫度區間為0℃～850℃時，熱電阻對應電阻值計算公式為：

式中：R0為0°C時熱電阻阻值。溫度測量誤差Δt=±（0.30+0.005|t|），則該溫控系統各加熱區域溫度測量精度控制在±1°C，結合風電葉片模具玻璃鋼復合材料溫度傳遞惰性及加熱絲鋪設工藝等綜合因素，該系統在實際使用過程中模具表面動態溫差精度能夠達到±5°C。

圖4 加熱階段主控制流程示意圖

在MW級風電葉片制造過程中，因樹脂類型、葉片制作工藝等不同，模具各個階段（如模具預真空灌注、預固化、加強筋粘接固化、腹板粘接固化、后固化等）、各個區域（如葉根部位、葉尖部位、前緣部位、后緣部位等）需要不同升溫曲線，本控制系統可以根據不同工藝溫度要求隨時快捷調整各區域加熱曲線，能夠根據工藝溫度需求對單個加熱區域、多組加熱區域等獨立加熱，一方面能夠精確對各個區域進行獨立加熱避免其他電加熱系統此方面缺陷，另一方面徹底解決傳統水加熱所存在效率低下、能源極大浪費等問題。

圖5為葉片模具腹板粘接時加熱監控曲線畫面。

圖5 腹板粘接加熱控制曲線

由圖5可以看出，控制精度在正負1攝氏度。

本控制系統采用PID為基本控制算法，以西門子模塊化PLC及擴展系統為基礎進行溫度調節控制，對MW級風電葉片模具較多路加熱區域溫度檢測、加熱控制、溫差精度控制等問題進行優化并驗證，實現了多路控制溫度測量及控制的精度，減少電阻加熱絲斷裂等缺陷，有效解決升溫及保溫階段溫度的可控性。

4 結束語

本溫控系統通過設定簡潔實用的操作界面，使用人員可以快速掌握該溫控系統的操作。在整個程序設計過程中，通過高仿真的理論推演、并進行實際控制論證，本溫控系統具備較高的穩定性、可操作性，有效解決了大空間溫度控制及誤差補償等相關難題。

[1] 張運剛,宋小春.PLC職業技能及視頻精講[M].北京:人民郵電出版社,2011.

[2] 胡壽松,等.自動控制原理[M].北京:科學出版社,2001.2.

[3] 向曉漢,等.西門子PLC高級應用實例精講[M].北京:機械工業出版社,2010.