大型風(fēng)電葉片模具電加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳萬(wàn)康 顏義鵬 高雁輝

（北玻院（滕州）復(fù)合材料有限公司，滕州 277500）

風(fēng)能是近年來(lái)發(fā)展迅速的可再生新能源，在減少污染、保護(hù)環(huán)境、應(yīng)對(duì)氣候變化的新形勢(shì)下，受到世界各國(guó)越來(lái)越高的重視。風(fēng)電葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，其良好的力學(xué)性能和穩(wěn)定性是維持風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行的關(guān)鍵。風(fēng)電葉片的基材主要為玻璃纖維和樹(shù)脂，利用真空樹(shù)脂傳遞技術(shù)，經(jīng)過(guò)基材鋪層、灌注、預(yù)固化、筋板裝配和后固化等階段，最后通過(guò)打磨、噴漆完成葉片成型。在這個(gè)過(guò)程中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是固化過(guò)程中模具型腔表面的溫度控制。固化過(guò)程中溫度過(guò)低會(huì)使膠黏劑失效，而溫度過(guò)高會(huì)灼傷風(fēng)電葉片基材。

目前，風(fēng)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(guò)模溫機(jī)將水加熱到葉片固化所需溫度，然后使其流經(jīng)模具殼體內(nèi)部預(yù)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(huán)水為介質(zhì)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(zhì)量，對(duì)模具鋼結(jié)構(gòu)尤其是翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。電加熱模具直接通過(guò)通電加熱模具殼體內(nèi)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(zhì)量大等缺點(diǎn)。然而，電加熱模具溫度均勻性較差，主要原因如下：加熱區(qū)域過(guò)多，相鄰區(qū)域互相干擾；埋放在模具殼體內(nèi)部的傳感器無(wú)法準(zhǔn)確探知模具表面的實(shí)際溫度；樹(shù)脂固化放出的熱量無(wú)法像水模具那樣被循環(huán)水流帶走，出現(xiàn)局部高溫等。這些不利因素難以從硬件層面改善解決，對(duì)電加熱系統(tǒng)的控溫能力提出了挑戰(zhàn)。

文章根據(jù)葉片生產(chǎn)制造過(guò)程中的實(shí)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(kāi)發(fā)了一套多路區(qū)域溫度控制系統(tǒng)。

1 電加熱分區(qū)

在風(fēng)電葉片生產(chǎn)制造過(guò)程中，樹(shù)脂真空灌注、預(yù)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(duì)于這些個(gè)性化的溫度需求，傳統(tǒng)的水加熱模具只能取最大公約數(shù)，無(wú)法針對(duì)性進(jìn)行最優(yōu)溫度控制。然而，電加熱模具相較水加熱模具可布置更準(zhǔn)確、更精細(xì)的加熱分區(qū)，能針對(duì)不同工藝、不同區(qū)域設(shè)置不同的目標(biāo)溫度，顯著提升葉片生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

典型的風(fēng)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(gè)功能區(qū)，如圖1 所示。將葉片單個(gè)分段的不同功能區(qū)做均分處理，可得到若干加熱分區(qū)。加熱系統(tǒng)遵循以點(diǎn)控面的原理，將溫度傳感器埋放點(diǎn)的溫度作為一整個(gè)加熱區(qū)的控溫依據(jù)。單個(gè)加熱區(qū)面積越小，模具總區(qū)數(shù)越多，控溫精細(xì)度越高，但相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)成本也越高。綜合經(jīng)濟(jì)成本與控制精度兩方面考慮，將單個(gè)加熱區(qū)的面積設(shè)定為2.0～2.5 m2。

圖1 電加熱分區(qū)

如圖2 所示，每個(gè)加熱區(qū)的加熱絲按照S 形排布，其內(nèi)呈對(duì)角線(xiàn)放置2 個(gè)125 ℃溫控開(kāi)關(guān)，2 個(gè)PT100熱電偶溫度傳感器，一主一備，相互備份。溫控開(kāi)關(guān)起“保險(xiǎn)”作用，即當(dāng)其檢測(cè)到埋放點(diǎn)的溫度超過(guò)125 ℃時(shí)，會(huì)給予控制器信號(hào)反饋，此時(shí)控制器做出停止該區(qū)域加熱的操作。PT100 熱電偶溫度傳感器抗干擾能力強(qiáng)，能向控制器反饋精確的實(shí)時(shí)溫度。為保證測(cè)溫的精確性，溫控開(kāi)關(guān)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(fēng)險(xiǎn)管控與成本控制，系統(tǒng)宏觀上采用總分結(jié)構(gòu)[1]。它有1 個(gè)總控制臺(tái)，若干分控制柜，另有若干配電柜。其中：配電柜僅負(fù)責(zé)為所有的分控制柜提供電能，不承擔(dān)任何控制任務(wù)；總控制臺(tái)內(nèi)置個(gè)人計(jì)算機(jī)（Personal Computer，PC）與歐姆龍NX102-1200 CPU 單元，主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互、信息匯總、任務(wù)下發(fā)，不直接參與溫度控制；分控制柜內(nèi)置歐姆龍NX-TC3405 溫度控制單元、固態(tài)繼電器、電流互感器等，與多個(gè)加熱區(qū)的電加熱絲、溫度傳感器、溫控開(kāi)關(guān)相連接，直接參與溫度控制。

如圖3 所示，由虛線(xiàn)連接的加熱絲、電流互感器、固態(tài)繼電器等構(gòu)成動(dòng)力電路；由實(shí)線(xiàn)連接的溫度傳感器、歐姆龍NX 系列PLC 等構(gòu)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(zhuǎn)換成數(shù)字量，而后計(jì)算其與系統(tǒng)設(shè)定溫度的偏差，通過(guò)輸出占空比的方法控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通時(shí)間，調(diào)節(jié)加熱功率，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。

圖3 電加熱系統(tǒng)原理

系統(tǒng)選用臺(tái)式計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)的硬件載體。上位機(jī)利用C#語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)RS-485串行通信，實(shí)現(xiàn)與歐姆龍NX102-1200 CPU 單元的雙向數(shù)據(jù)交互。軟件主要有曲線(xiàn)設(shè)置、溫度監(jiān)控、報(bào)警信息、歷史記錄等功能模塊。用戶(hù)可根據(jù)葉片生產(chǎn)的技術(shù)要求，對(duì)應(yīng)設(shè)置模具各區(qū)域的升溫曲線(xiàn)并開(kāi)啟加熱，可在溫度監(jiān)控界面觀察到各分區(qū)的實(shí)時(shí)溫度曲線(xiàn)。在生產(chǎn)過(guò)程中，若出現(xiàn)某區(qū)域溫度大幅偏離設(shè)定溫度的情況，控制臺(tái)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，并在上位機(jī)顯示詳細(xì)的報(bào)警信息。生產(chǎn)加熱完成后，系統(tǒng)會(huì)將全過(guò)程溫度曲線(xiàn)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，方便日后查閱。

3 溫度控制算法

在工業(yè)控制領(lǐng)域中，PID 控制器是應(yīng)用廣泛的一種自動(dòng)控制器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)[2]。設(shè)計(jì)的加熱系統(tǒng)基于經(jīng)典PID 控制算法進(jìn)行溫度控制。

PID 溫度控制系統(tǒng)通常由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)3 個(gè)部分組成[3]。比例環(huán)節(jié)可以成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，即輸出與輸入偏差成正比，可以用來(lái)減小系統(tǒng)的偏差。在實(shí)際應(yīng)用中，如果僅有比例環(huán)節(jié)的控制，可能會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)靜態(tài)誤差（靜態(tài)誤差是指系統(tǒng)控制過(guò)程趨于穩(wěn)定時(shí)，目標(biāo)值與實(shí)測(cè)值之間的偏差）。積分環(huán)節(jié)對(duì)偏差進(jìn)行積分，只要存在偏差，積分環(huán)節(jié)就會(huì)不斷起作用，主要用于消除靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。微分環(huán)節(jié)的作用是反映系統(tǒng)偏差的一個(gè)變化趨勢(shì)，即變化率，可以在誤差來(lái)臨前引入一個(gè)有效的修正信號(hào)，有利于提高輸出響應(yīng)的速度，減小被控量的超調(diào)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。

設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)將目標(biāo)溫度值r(t)與溫度檢測(cè)值y(t)相減得到的差值作為控制偏差，通過(guò)將比例、積分、微分環(huán)節(jié)進(jìn)行不同的線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制，控制規(guī)律為

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

4 控制效果檢驗(yàn)

葉片生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)模具型腔內(nèi)部溫度控制的精確性有著較高要求。對(duì)葉片生產(chǎn)預(yù)固化所需溫度進(jìn)行測(cè)試，將目標(biāo)溫度設(shè)置為65 ℃[5]。在加熱系統(tǒng)顯示模具已升至目標(biāo)溫度后，使用熱成像儀掃描模具表面，結(jié)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(mǎn)足葉片生產(chǎn)工藝中要求的“理想溫度±5 ℃”的要求。隨后對(duì)模具的動(dòng)態(tài)升溫過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證，主要考察模具各加熱分區(qū)升溫的同步性和對(duì)目標(biāo)曲線(xiàn)的跟隨性，測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 模具升溫曲線(xiàn)

從圖5 可以看出，所有的電加熱分區(qū)溫度都緊隨目標(biāo)曲線(xiàn)。各區(qū)域之間溫差在±1 ℃以?xún)?nèi)，控溫精準(zhǔn)。升溫曲線(xiàn)基本無(wú)超調(diào)、無(wú)滯后，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)異。

5 結(jié)語(yǔ)

從風(fēng)電葉片生產(chǎn)制造的需求出發(fā)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、性能優(yōu)異的葉片模具電加熱系統(tǒng)。利用設(shè)計(jì)的葉片模具電加熱系統(tǒng)，使用人員可快速完成由傳統(tǒng)水加熱模具到電加熱模具的過(guò)渡，獲得更高效、更節(jié)能的體驗(yàn)。