張乃祿，張鎮(zhèn)海，宋 濤，王 偉

(1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065)(2.西安海聯(lián)石化科技有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

鈦合金異型材是重要的飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料，被廣泛用做翅翼、壁板、隔框等。在對(duì)鈦合金異型材進(jìn)行擠壓成形時(shí)，由于型材橫截面各處的金屬流動(dòng)差異較大，最終使型材存在彎曲、扭曲等缺陷。鈦合金的彈性模量低、屈強(qiáng)比高[1]，必須進(jìn)行在線(xiàn)加熱張力矯直。鈦合金異型材的矯直加工溫度窗口很窄，而目前國(guó)內(nèi)鈦合金異型材矯直在線(xiàn)電加熱普遍采用晶閘管整流加熱電源和單點(diǎn)檢測(cè)控制[2-3]，難于滿(mǎn)足被矯直異型材加熱溫度控制精度高、溫度一致性好以及加熱速度快的要求。

針對(duì)鈦合金異型材100 t張力矯直機(jī)存在的加熱升溫慢及控溫精度差的問(wèn)題，本研究采用光纖紅外兩點(diǎn)溫度檢測(cè)與控制技術(shù)，通過(guò)基于CAN總線(xiàn)的IGBT電源進(jìn)行加熱，并研制基于Fuzzy-PID算法的在線(xiàn)加熱控制系統(tǒng)，以期解決鈦合金異型材矯直過(guò)程中加熱溫度控制精度低與加熱速度慢的問(wèn)題。

1 鈦合金異型材加熱特點(diǎn)及控制要求

鈦合金異型材100 t張力矯直機(jī)在線(xiàn)電加熱設(shè)備由拉伸頭裝置、扭擰頭裝置、加熱電源、光纖紅外測(cè)溫傳感器等組成，如圖1所示。其中，IGBT加熱電源由導(dǎo)電母排和水冷電纜連接到被矯直鈦合金異型材的兩端進(jìn)行電接觸加熱，當(dāng)加熱溫度達(dá)到矯直工藝溫度后，保持異型材溫度恒定，系統(tǒng)進(jìn)行拉伸、扭擰矯直。鈦合金異型材矯直拉伸、扭擰過(guò)程的溫度范圍很窄，要求溫度誤差不超過(guò)±8 ℃，型材均溫差不超過(guò)±20 ℃，單根型材加熱時(shí)間不超過(guò)5 min。

2 在線(xiàn)電加熱控制系統(tǒng)構(gòu)成

鈦合金異型材矯直在線(xiàn)電加熱控制系統(tǒng)由工業(yè)觸摸屏人機(jī)界面(HMI)、S7-300 PLC(可編程控制器)、智能儀表、光纖紅外測(cè)溫傳感器、IGBT加熱電源等構(gòu)成，如圖2所示。

圖1 矯直機(jī)在線(xiàn)加熱設(shè)備組成示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the compositon of the straightening machine online heating equipment

圖2 鈦合金異型材在線(xiàn)電加熱控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the composition of titanium alloy profiles online electrical heating control system

控制單元采用昆侖通態(tài)觸摸屏，利用MCGS組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，并配有以太網(wǎng)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)HMI與PLC連接，HMI可接受PLC采集的溫度信號(hào)，并可對(duì)加熱溫度等工藝參數(shù)實(shí)時(shí)設(shè)定與顯示?？刂浦鳈C(jī)采用S7-300 PLC進(jìn)行溫度采集與過(guò)程控制，通過(guò)調(diào)節(jié)智能儀表的PID參數(shù)輸出4～20 mA電流控制加熱電源進(jìn)行加熱。

加熱電源單元通過(guò)8個(gè)IGBT直流電源模塊并聯(lián)匯流,實(shí)現(xiàn)輸出6.5 kA加熱電流，加熱電流經(jīng)導(dǎo)電母排和水冷電纜連接到鈦合金異型材進(jìn)行電加熱，其8個(gè)IGBT直流電源模塊采用CAN總線(xiàn)連接，并與智能儀表聯(lián)網(wǎng)控制。

溫度檢測(cè)單元采用2個(gè)非接觸的H-RB A/B 系列激光光纖型紅外溫度傳感器，并分別安裝在矯直機(jī)設(shè)備的拉伸頭裝置和扭擰頭裝置上，T1、T2兩點(diǎn)溫度的信號(hào)(4～20 mA模擬量信號(hào))輸入到PLC模擬量輸入接口，對(duì)鈦合金異型材上兩點(diǎn)進(jìn)行溫度檢測(cè)與控制。

3 在線(xiàn)電加熱控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 加熱控制系統(tǒng)軟件組成

鈦合金異型材在線(xiàn)電加熱控制系統(tǒng)軟件采用組態(tài)軟件MCGS與西門(mén)子STEP7 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)控制應(yīng)用軟件由在線(xiàn)加熱檢測(cè)控制和上位監(jiān)控與人機(jī)界面組成，如圖3所示。

3.2 檢測(cè)與加熱控制程序設(shè)計(jì)

鈦合金異型材在線(xiàn)電加熱控制系統(tǒng)的檢測(cè)與加熱控制程序采用西門(mén)子Step7 V5.5軟件開(kāi)發(fā)，在計(jì)算機(jī)上編程并下載到PLC中執(zhí)行。檢測(cè)與加熱控制程序流程如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)控制應(yīng)用軟件組成Fig. 3 The composition of control system application software

圖4 檢測(cè)與加熱控制程序流程Fig. 4 The control procedures of measuring and heating

在PLC執(zhí)行檢測(cè)與加熱控制程序時(shí)，先初始化，再判斷是否加熱。確定加熱操作后，對(duì)兩點(diǎn)溫度信號(hào)進(jìn)行采集并取平均值，接著判斷兩點(diǎn)溫度是否在要求范圍內(nèi)，如果溫度不滿(mǎn)足要求，通過(guò)主程序OB1的定時(shí)中斷子程序OB35來(lái)調(diào)用Fuzzy-PID子程序SFB41，對(duì)鈦合金異型材進(jìn)行電接觸加熱。

3.3 加熱溫度Fuzzy-PID控制程序設(shè)計(jì)

3.3.1 Fuzzy-PID控制策略

加熱溫度采用Fuzzy-PID控制。Fuzzy-PID控制算法原理如圖5所示。圖中，E和EC是溫差及溫差變化率模糊化后的模糊量，e和Δe是溫差及溫差變化率的精確值。

圖5 加熱控制系統(tǒng)策略圖Fig. 5 The strategy diagram of heating control system

鈦合金異型材在線(xiàn)電加熱溫度Fuzzy-PID控制策略整體采用兩輸入、三輸出的結(jié)構(gòu)，以設(shè)定的矯直溫度信號(hào)T0與異型材溫度信號(hào)T的差值及其變化率作為Fuzzy-PID控制器的輸入信號(hào)。異型材溫度在電加熱過(guò)程中不斷變化時(shí)，采用模糊推理對(duì)其變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)判定，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)調(diào)整PID控制的比例、積分、微分系數(shù)[4]，實(shí)現(xiàn)鈦合金異型材精確、快速的加熱控制。其中，矯直設(shè)定溫度T0通常取650～700 ℃。

3.3.2 Fuzzy-PID控制子程序

Fuzzy-PID控制子程序?qū)牲c(diǎn)溫度信號(hào)的平均值作為信號(hào)的輸入值，計(jì)算出E以及EC，并將其與模糊規(guī)則表比較，得到PID參數(shù)Kp、Ki、Kd的增量，從而得到當(dāng)前整定后的Kp、Ki、Kd參數(shù)，實(shí)現(xiàn)Fuzzy-PID控制[5]。Fuzzy-PID控制子程序流程圖如圖6所示。圖中，e(k)、r(k)、y(k)、e(k-1)分別為溫度信號(hào)頻率采樣后溫差信號(hào)、溫度輸入信號(hào)、溫度反饋信號(hào)、溫差前置信號(hào)的離散值。

圖6 Fuzzy-PID算法子程序流程Fig. 6 The subprogram process the Fuzzy-PID algorithm

3.4 上位監(jiān)控與人機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位監(jiān)控與人機(jī)界面采用昆侖通態(tài)組態(tài)軟件MCGS 7.7在Window XP上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)串口將程序下載到HMI上運(yùn)行，HMI與下位PLC通過(guò)以太網(wǎng)通訊，上位監(jiān)控與人機(jī)界面主要實(shí)現(xiàn)以下功能：①可實(shí)時(shí)顯示與設(shè)定加熱電壓、加熱電流等工藝參數(shù)，顯示和記錄工況、報(bào)警、曲線(xiàn)等；②控制流程與處理、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。上位監(jiān)控與人機(jī)界面設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7 上位監(jiān)控與人機(jī)界面設(shè)計(jì)流程Fig. 7 The designing process of upper monitoring and man-machine interface

4 溫度控制結(jié)果及分析

溫度控制系統(tǒng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)以L(fǎng)型TC4鈦合金異型材為例，其長(zhǎng)度為5 m，橫截面積500 mm2，比熱容為750 J/(kg·℃)，密度為4.44×103kg/m3。在室溫(15 ℃)下進(jìn)行電加熱與控制，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

采用Fuzzy-PID控制算法進(jìn)行鈦合金異型材加熱控制，并設(shè)定矯直溫度為650 ℃。從表1中可以看出，鈦合金異型材能夠在3 min內(nèi)達(dá)到設(shè)定的矯直溫度，加熱速度快，在溫度上升過(guò)程中型材溫度始終逼近目標(biāo)設(shè)定溫度值，兩點(diǎn)溫差在20 ℃以?xún)?nèi)，最終矯直鈦合金異型材上測(cè)溫點(diǎn)T1、T2分別為650 ℃和648 ℃，確保異型材上不同兩測(cè)溫點(diǎn)間溫差不超過(guò)±20 ℃和溫度誤差不超過(guò)±8 ℃的控制要求，每根異型材加熱時(shí)間不超過(guò)3 min。經(jīng)過(guò)矯直，TC4鈦合金異型材的彎曲度控制在2 mm/m以?xún)?nèi)。

表1 TC4鈦合金異型材加熱溫度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

Table 1 The results of testing heating temperature of TC4 titanium alloy profile

5 結(jié) 論

(1)鈦合金異型材矯直機(jī)在線(xiàn)電加熱控制系統(tǒng)采用Fuzzy-PID控制算法，通過(guò)基于CAN總線(xiàn)的IGBT加熱電源調(diào)節(jié)矯直鈦合金異型材的溫度，在3 min內(nèi)從15 ℃加熱到設(shè)定的650 ℃，確保異型材上2個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫差在20 ℃之內(nèi)且溫度誤差不超過(guò)±8 ℃。

(2)該系統(tǒng)對(duì)鈦合金異型材加熱并矯直后，鈦合金異型材彎曲度可控制在2 mm/m以?xún)?nèi)。

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