大型風電葉片模具電加熱系統設計

陳萬康 顏義鵬 高雁輝

（北玻院（滕州）復合材料有限公司，滕州 277500）

風能是近年來發展迅速的可再生新能源，在減少污染、保護環境、應對氣候變化的新形勢下，受到世界各國越來越高的重視。風電葉片是風力發電機組的關鍵部件之一，其良好的力學性能和穩定性是維持風電機組正常運行的關鍵。風電葉片的基材主要為玻璃纖維和樹脂，利用真空樹脂傳遞技術，經過基材鋪層、灌注、預固化、筋板裝配和后固化等階段，最后通過打磨、噴漆完成葉片成型。在這個過程中，最關鍵的環節就是固化過程中模具型腔表面的溫度控制。固化過程中溫度過低會使膠黏劑失效，而溫度過高會灼傷風電葉片基材。

目前，風電葉片模具的加熱方式主要有水加熱和電加熱兩種。水加熱模具通過模溫機將水加熱到葉片固化所需溫度，然后使其流經模具殼體內部預埋的銅管，最終將熱量傳遞至模具表面。該加熱方式溫度均勻性極佳，但其以循環水為介質間接加熱，升溫速率慢，電能利用率低。此外，因銅管排布間距較大，為保證模具表面溫度均勻，其間填充有厚重的鋁粉，極大地增加了模具的質量，對模具鋼結構尤其是翻轉機構提出了嚴峻考驗。電加熱模具直接通過通電加熱模具殼體內部的電阻絲，極大地改善了水加熱模具升溫速率慢、電能利用率低以及質量大等缺點。然而，電加熱模具溫度均勻性較差，主要原因如下：加熱區域過多，相鄰區域互相干擾；埋放在模具殼體內部的傳感器無法準確探知模具表面的實際溫度；樹脂固化放出的熱量無法像水模具那樣被循環水流帶走，出現局部高溫等。這些不利因素難以從硬件層面改善解決，對電加熱系統的控溫能力提出了挑戰。

文章根據葉片生產制造過程中的實際要求，利用歐姆龍可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和比例-積分-微分（Proportion Integral Differential，PID）控制算法，開發了一套多路區域溫度控制系統。

1 電加熱分區

在風電葉片生產制造過程中，樹脂真空灌注、預固化、葉片腹板黏接固化、后固化等不同工序各有最佳溫度需求。對于這些個性化的溫度需求，傳統的水加熱模具只能取最大公約數，無法針對性進行最優溫度控制。然而，電加熱模具相較水加熱模具可布置更準確、更精細的加熱分區，能針對不同工藝、不同區域設置不同的目標溫度，顯著提升葉片生產效率和產品質量。

典型的風電葉片多分為前緣、后緣、輔梁后緣、主梁、輔梁以及后緣單向布（Uni-Directional Cloth，UD）等多個功能區，如圖1 所示。將葉片單個分段的不同功能區做均分處理，可得到若干加熱分區。加熱系統遵循以點控面的原理，將溫度傳感器埋放點的溫度作為一整個加熱區的控溫依據。單個加熱區面積越小，模具總區數越多，控溫精細度越高，但相應的經濟成本也越高。綜合經濟成本與控制精度兩方面考慮，將單個加熱區的面積設定為2.0～2.5 m2。

圖1 電加熱分區

如圖2 所示，每個加熱區的加熱絲按照S 形排布，其內呈對角線放置2 個125 ℃溫控開關，2 個PT100熱電偶溫度傳感器，一主一備，相互備份。溫控開關起“保險”作用，即當其檢測到埋放點的溫度超過125 ℃時，會給予控制器信號反饋，此時控制器做出停止該區域加熱的操作。PT100 熱電偶溫度傳感器抗干擾能力強，能向控制器反饋精確的實時溫度。為保證測溫的精確性，溫控開關和PT100 必須放在兩根加熱絲中間。

圖2 溫度傳感器與溫控探頭擺放位置

2 溫控原理

綜合考慮風險管控與成本控制，系統宏觀上采用總分結構[1]。它有1 個總控制臺，若干分控制柜，另有若干配電柜。其中：配電柜僅負責為所有的分控制柜提供電能，不承擔任何控制任務；總控制臺內置個人計算機（Personal Computer，PC）與歐姆龍NX102-1200 CPU 單元，主要負責人機交互、信息匯總、任務下發，不直接參與溫度控制；分控制柜內置歐姆龍NX-TC3405 溫度控制單元、固態繼電器、電流互感器等，與多個加熱區的電加熱絲、溫度傳感器、溫控開關相連接，直接參與溫度控制。

如圖3 所示，由虛線連接的加熱絲、電流互感器、固態繼電器等構成動力電路；由實線連接的溫度傳感器、歐姆龍NX 系列PLC 等構成控制電路。PT100 熱電偶溫度傳感器將采集到的模具型腔的模擬量溫度傳遞給NX-TC3405 溫度控制單元。溫控單元將接收到的模擬量溫度轉換成數字量，而后計算其與系統設定溫度的偏差，通過輸出占空比的方法控制固態繼電器的導通時間，調節加熱功率，最終實現對溫度的控制。

圖3 電加熱系統原理

系統選用臺式計算機作為上位機軟件與數據庫的硬件載體。上位機利用C#語言編寫，通過RS-485串行通信，實現與歐姆龍NX102-1200 CPU 單元的雙向數據交互。軟件主要有曲線設置、溫度監控、報警信息、歷史記錄等功能模塊。用戶可根據葉片生產的技術要求，對應設置模具各區域的升溫曲線并開啟加熱，可在溫度監控界面觀察到各分區的實時溫度曲線。在生產過程中，若出現某區域溫度大幅偏離設定溫度的情況，控制臺會發出聲光報警，并在上位機顯示詳細的報警信息。生產加熱完成后，系統會將全過程溫度曲線保存到數據庫，方便日后查閱。

3 溫度控制算法

在工業控制領域中，PID 控制器是應用廣泛的一種自動控制器，具有結構簡單、易于實現、控制靈活等優點[2]。設計的加熱系統基于經典PID 控制算法進行溫度控制。

PID 溫度控制系統通常由比例環節、積分環節和微分環節3 個部分組成[3]。比例環節可以成比例地反映控制系統的偏差信號，即輸出與輸入偏差成正比，可以用來減小系統的偏差。在實際應用中，如果僅有比例環節的控制，可能會給系統帶來靜態誤差（靜態誤差是指系統控制過程趨于穩定時，目標值與實測值之間的偏差）。積分環節對偏差進行積分，只要存在偏差，積分環節就會不斷起作用，主要用于消除靜態誤差，提高系統的無差度。微分環節的作用是反映系統偏差的一個變化趨勢，即變化率，可以在誤差來臨前引入一個有效的修正信號，有利于提高輸出響應的速度，減小被控量的超調，增加系統的穩定性[4]。

設計的溫度控制系統將目標溫度值r(t)與溫度檢測值y(t)相減得到的差值作為控制偏差，通過將比例、積分、微分環節進行不同的線性組合構成控制量，實現對被控對象的控制，控制規律為

式中：u(t)為控制量；e(t)為目標值與輸出值的差值；KP為比例系數；TI、TD分別為積分時間常數、微分時間常數。

4 控制效果檢驗

葉片生產過程中，對模具型腔內部溫度控制的精確性有著較高要求。對葉片生產預固化所需溫度進行測試，將目標溫度設置為65 ℃[5]。在加熱系統顯示模具已升至目標溫度后，使用熱成像儀掃描模具表面，結果如圖4 所示。

圖4 模具表面熱成像圖

模具表面最高溫度66.6 ℃，最低溫度62.6 ℃，完全滿足葉片生產工藝中要求的“理想溫度±5 ℃”的要求。隨后對模具的動態升溫過程進行驗證，主要考察模具各加熱分區升溫的同步性和對目標曲線的跟隨性，測試結果如圖5 所示。

圖5 模具升溫曲線

從圖5 可以看出，所有的電加熱分區溫度都緊隨目標曲線。各區域之間溫差在±1 ℃以內，控溫精準。升溫曲線基本無超調、無滯后，動態性能優異。

5 結語

從風電葉片生產制造的需求出發，設計開發一套結構簡單、穩定可靠、性能優異的葉片模具電加熱系統。利用設計的葉片模具電加熱系統，使用人員可快速完成由傳統水加熱模具到電加熱模具的過渡，獲得更高效、更節能的體驗。