風(fēng)電葉片模具型腔水加熱系統(tǒng)及其智能化控制

王紅+張彩英

摘要：由于風(fēng)電葉片基質(zhì)材料的特殊性，因此對其固化過程的溫度變量有嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)的葉片表面電阻絲固化加熱方式具有動態(tài)性能差，跟蹤性能低和大滯后等缺點(diǎn)，極易造成葉片基材失效。針對該問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于Bang-Bang算法和模糊控制理論的葉片模具型腔水加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)以葉片模具型腔水溫為控制指標(biāo)，以水溫偏差和水溫偏差變化率為輸入，以用來控制加熱器可控硅導(dǎo)通角的標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號為輸出。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有跟蹤性強(qiáng)，靜態(tài)性能穩(wěn)定和魯棒性好等特性，極大的提高了葉片生產(chǎn)過程的工藝水平。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電葉片；自適應(yīng)；bang-bang算法；模糊控制；水溫恒定

0 引言

隨著國家新能源戰(zhàn)略的提出，風(fēng)電行業(yè)得以迅猛發(fā)展。風(fēng)電葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件之一，制造成本占風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總成本的20%-30%，其性能的優(yōu)劣對整個(gè)系統(tǒng)的影響很大。固化階段的溫度精確程度將直接影響葉片的材料性能。如果葉片固化溫度過低將造成膠粘劑失效，而溫度過高將造成葉片基材灼傷。

基于上述現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種風(fēng)電葉片型腔模具水加熱系統(tǒng)，并構(gòu)建了一種基于Bang-Bang算法和自適應(yīng)模糊理論的控制器，旨在提高葉片模具加熱系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特征。最后，將該套系統(tǒng)成功應(yīng)用于連云港中復(fù)連眾風(fēng)電葉片生產(chǎn)車間生產(chǎn)線，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析。

1 風(fēng)電葉片模具型腔水加熱系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)硬件組成及工作過程

葉片模具水加熱系統(tǒng)主要由功率可調(diào)水加熱器（內(nèi)部含有可控硅移相觸發(fā)板和可控硅等）、西門子PLC控制器、觸摸屏和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)終端組成?；竟ぷ鬟^程：高效散熱管呈網(wǎng)狀貫通于模具型腔內(nèi)部，經(jīng)加熱器加熱的水，在散熱管內(nèi)高速循環(huán)流動。溫度經(jīng)安裝在葉片模具根部10米位置的傳感器反饋至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過發(fā)出電壓模擬信號控制加熱器可控硅移相觸發(fā)板，改變加熱器可控硅的導(dǎo)通角，來達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)模具型腔水溫的作用。通過控制器與觸摸屏通訊來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和人機(jī)交互，觸摸屏通過Ethernet將數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)信息化。

1.2系統(tǒng)的多級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

葉片模具型腔水加熱系統(tǒng)采用了拓?fù)湫偷亩嗉壘W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場PLC控制器與觸摸屏之間通過PPI協(xié)議進(jìn)行通信，波特率為38400bit/s，其中觸摸屏設(shè)定為主站，PLC控制器設(shè)定為從站，通訊效率可遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足系統(tǒng)的控制精度要求。由于采集數(shù)據(jù)時(shí)間長，數(shù)量大，并且一個(gè)車間內(nèi)可能有多套葉片生產(chǎn)線，因此觸摸屏通過Eternet通信與總控制室計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)終端通信，組成一個(gè)局域網(wǎng)，由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)終端將數(shù)據(jù)存儲于Acess數(shù)據(jù)庫中，并將數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)共享。

2 數(shù)字智能化控制器設(shè)計(jì)

2.1 一般控制原理

在工業(yè)控制中，數(shù)字PID控制是一種發(fā)展成熟、性能穩(wěn)定和應(yīng)用廣泛的控制算法。風(fēng)電葉片模具型腔水加熱系統(tǒng)的控制就是基于數(shù)字PID控制原理。

這種控制器的原理簡單，應(yīng)用方便，但是缺點(diǎn)也很明顯，主要有以下兩個(gè)方面：

（1）調(diào)節(jié)周期較長。

（2）需要有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。

2.2 大范圍內(nèi)的bang-bang算法

定義兩個(gè)溫度控制點(diǎn)：TLOW和THIGH。TLOW表示溫度的控制低點(diǎn)，其值為溫度設(shè)定值減20；THIGH表示溫度的控制高點(diǎn)，其值為溫度設(shè)定值加5。如果溫度高于THIGH，則控制器直接關(guān)閉加熱器電源，避免由于過高溫導(dǎo)致葉片灼傷；如果溫度低于TLOW，則控制器打開加熱器電源，并且加熱器可控硅導(dǎo)通角為最大，使加熱器能夠全功率工作。THIGH與TLOW之差稱為滯后，在滯后階段，溫度的控制由模糊PID控制完成。

3 現(xiàn)場應(yīng)用與結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)場應(yīng)用

連云港中復(fù)連眾是國內(nèi)葉片生產(chǎn)的領(lǐng)軍企業(yè)，其葉片生產(chǎn)數(shù)量在行業(yè)內(nèi)占有率已達(dá)30%以上。將該系統(tǒng)應(yīng)用于其三分廠22號生產(chǎn)線，并進(jìn)行葉片制造過程的后固化溫度控制。該生產(chǎn)線的葉片型號為aeroblade10—62.3，其生產(chǎn)的葉片的設(shè)計(jì)功率為10MW，長度為62.3米，屬于中大型葉片。

3.2結(jié)果分析

為了分別分析控制系統(tǒng)在大溫差范圍和小溫差范圍的控制特性，并且由于設(shè)定溫度為76℃，因此取水溫變化的23℃--50℃階段和73℃--76℃階段作分析。

在大溫差時(shí)，系統(tǒng)會以恒功率對水溫進(jìn)行加熱，效率較高，大約只需要2小時(shí)即可完成升溫過程。在溫度上升過程中，升溫速度會有逐漸變慢的趨勢，這是由于水溫加熱是通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行的。隨著葉片溫度的上升，水與葉片之間的溫差逐漸變小，導(dǎo)致了熱傳導(dǎo)效率降低。另外，在溫度上升的過程中，溫度會有上下起伏現(xiàn)象，原因是由于葉片膠質(zhì)的固化是一個(gè)放熱的過程，這將導(dǎo)致產(chǎn)生反向散熱，這也從另一方面體現(xiàn)了水加熱的一個(gè)好處：不但能放熱，在某些情況下還可以吸熱，保證了葉片溫度的穩(wěn)定性。

采用自適應(yīng)模糊控制的加熱器，在起始加熱階段，由于溫差仍然較大，因而控制器的輸出依然很大，加熱器保持較高效率，溫度能夠穩(wěn)步上升；到達(dá)設(shè)定溫度后，加熱有明顯減速的過程，同時(shí)，根據(jù)溫度起伏的大小，控制器實(shí)時(shí)改變加熱器功率，使溫度保持基本恒定；在恒溫保持方面，溫度控制趨于平穩(wěn)，誤差在1℃左右，符合葉片固化過程的工藝要求。

4 創(chuàng)新與結(jié)論

基于Bang-Bang算法和自適應(yīng)模糊控制算法，構(gòu)建了一套風(fēng)電葉片型腔模具水加熱控制系統(tǒng)，并將其在兆瓦級風(fēng)電葉片的生產(chǎn)線上成功應(yīng)用，這在國內(nèi)葉片生產(chǎn)行業(yè)尚屬首次，徹底改變了以往的固化加熱方式。通過實(shí)際應(yīng)用得到如下結(jié)論：

1）將Bang-Bang算法應(yīng)用于溫度偏差的大范圍控制，極大地提高葉片固化過程的升溫效率；

2）將自適應(yīng)模糊控制理論應(yīng)用；于風(fēng)電葉片的生產(chǎn)制造過程，保證了整個(gè)加熱過程的穩(wěn)定性，提高了葉片的材料性能，縮短了葉片生產(chǎn)周期，降低了葉片的生產(chǎn)成本；

3）通過水加熱代替電熱絲加熱，極大的提高了葉片生產(chǎn)的安全性，為改進(jìn)葉片的固化加熱方式，提供了一個(gè)新的方向，有助于葉片行業(yè)的發(fā)展。

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作者簡介

王紅（1979），講師，研究方向：模具設(shè)計(jì)與加工.