譚 波，吳艷芳

（1.重慶三峽職業(yè)學(xué)院，重慶 404000；2.重慶三峽學(xué)院，重慶 404000）

某96系列汽車內(nèi)飾液壓機(jī)，是用于汽車內(nèi)飾件的專用生產(chǎn)設(shè)備，除了具有壓制成型功能，還包括排氣、模具加熱等重要功能。其中，模具加熱功能主要用于SMC等熱固性模塑材料[1]汽車內(nèi)飾件的熱成型過程中的模具溫度控制。合適的模具溫度范圍，可以提高汽車內(nèi)飾制品的質(zhì)量，縮短其成型周期；溫度過高會損壞汽車內(nèi)飾制品；溫度過低會導(dǎo)致汽車內(nèi)飾制品成型缺陷[2]。因此模具溫度控制在汽車內(nèi)飾液壓機(jī)上尤為重要。

合肥合鍛鍛壓機(jī)床有限公司的宋雨芳等人已經(jīng)研制出利用模溫機(jī)來作為汽車內(nèi)飾液壓機(jī)的模具加熱系統(tǒng)[3]。模溫機(jī)加熱，通過模溫機(jī)對特殊介質(zhì)加熱，然后通過管道將加熱后的介質(zhì)傳輸?shù)侥＞邇?nèi)部，加熱模具。這種方式具有方便使用，溫度控制精度高的優(yōu)點(diǎn)；但其控制系統(tǒng)獨(dú)立于液壓機(jī)控制系統(tǒng)外，具有通信程序復(fù)雜、集中控制性能低等缺點(diǎn)。隨著PLC+HMI在液壓機(jī)中的廣泛應(yīng)用，可將汽車內(nèi)飾液壓機(jī)的模具加熱系統(tǒng)集中到液壓機(jī)控制系統(tǒng)中，得到集中控制度高、不需要編寫復(fù)雜通信程序的加熱控制系統(tǒng)。大連三壘科技的許志勝等人，摒棄傳統(tǒng)溫控表方式，將西門子1500-PLC成功應(yīng)用于擠出機(jī)溫度控制[4]。

針對汽車內(nèi)飾液壓機(jī)的模具加熱功能，利用西門子1500-PLC集成的PID_temp溫度控制工藝對象，設(shè)計了一種電加熱控制系統(tǒng)。

1 電加熱控制系統(tǒng)的原理及系統(tǒng)設(shè)計

電加熱控制系統(tǒng)與模溫機(jī)加熱方式不同，控制系統(tǒng)通過對電熱管的溫度控制，實(shí)現(xiàn)對液壓機(jī)工作平臺加熱，加熱后的高溫平臺又對放置在平臺上的模具進(jìn)行加熱，整個系統(tǒng)和液壓機(jī)控制系統(tǒng)集成在一起，不需要編寫復(fù)雜的通信程序，集成度高。電加熱控制系統(tǒng)如圖1，包含人機(jī)交互操作系統(tǒng)，電加熱溫度控制系統(tǒng)，溫度采集系統(tǒng)和斷線診斷系統(tǒng)。

圖1 電加熱控制系統(tǒng)組成

1.1 人機(jī)交互操作系統(tǒng)

HMI廣泛應(yīng)用于液壓機(jī)控制系統(tǒng)中，作為人機(jī)交互操作用。電加熱控制系統(tǒng)的人機(jī)交互操作系統(tǒng)由硬件西門子KTP1200觸摸屏和加熱操作界面構(gòu)成。

圖2為電加熱主要操作界面，可以顯示上下工作平臺共16個加熱區(qū)（試驗(yàn)內(nèi)飾液壓機(jī)的上下平臺根據(jù)尺寸各自合理分區(qū)為8）的實(shí)時溫度，并進(jìn)行溫度設(shè)置。

圖2 操作界面

1.2 電加熱溫度控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)是利用1500-PLC內(nèi)置的PID_Temp溫度控制工藝對象，對設(shè)置溫度和采集系統(tǒng)的反饋溫度進(jìn)行對比計算，然后通過數(shù)字模塊輸出PWM脈寬控制信號，控制固態(tài)繼電器的通斷，轉(zhuǎn)換為控制交流接觸器的通斷，實(shí)現(xiàn)對電熱管電源的通斷控制。通電時電熱管發(fā)熱，溫度上升；由于環(huán)境溫度低于平臺溫度，時刻在散熱，一旦斷電，電熱管將停止發(fā)熱，溫度降低。電熱管安裝在工作平臺內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)對液壓機(jī)工作平臺的溫度控制。

1.3 溫度采集系統(tǒng)

PID_Temp溫度控制工藝對象，其實(shí)質(zhì)是一種閉環(huán)控制算法，設(shè)置溫度為給定量，液壓機(jī)平臺的實(shí)時溫度為反饋量。系統(tǒng)通過放置在液壓機(jī)工作平臺內(nèi)的熱電偶實(shí)時檢測平臺的溫度數(shù)據(jù)，反饋給熱電偶模塊，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)據(jù)，提供給PID_Temp作為實(shí)時溫度反饋。

1.4 斷線診斷系統(tǒng)

電熱管是管狀電熱元件的俗稱，由金屬管、電阻絲和導(dǎo)熱性好、絕緣性好的氧化鎂等制成[5]。電熱管在制成后，其功率是固定的，不同的工作電壓可得到不同的工作電流，且工作電流是穩(wěn)定的。若工作電流與正常工作電流發(fā)生較大偏差或?yàn)?時，可以視為電熱管發(fā)生故障斷線。因此，系統(tǒng)中用互感器測試每組電熱管的工作電流，通過模擬模塊傳輸?shù)絇LC，作為斷線診斷的電流依據(jù)。

1.5 電加熱控制系統(tǒng)的硬件配置

電加熱控制系統(tǒng)集成到液壓機(jī)控制系統(tǒng)中，主要采用西門子1500-PLC作為控制器，其內(nèi)置有PID_Temp溫度控制工藝對象，系統(tǒng)的硬件配置如表1所示。

表1 電加熱控制系統(tǒng)的主要硬件

2 PID_Temp工藝對象的組態(tài)與參數(shù)調(diào)節(jié)

西門子1500-PLC集成的PID控制器有多種，而PID_Temp工藝對象提供具有集成調(diào)節(jié)功能的連續(xù)PID控制器，專為溫度控制而設(shè)計，適用于加熱或加熱/制冷應(yīng)用。電加熱控制系統(tǒng)，依據(jù)內(nèi)飾液壓機(jī)上下工作平臺共16各加熱區(qū)，組態(tài)了16個PID_Temp工藝對象，分別用于每個加熱區(qū)的溫度控制。

PID_Temp工藝對象的啟動模式組態(tài)為手動模式，只有當(dāng)系統(tǒng)在沒有斷線報警和其他安全報警時，存在啟動命令時運(yùn)行。工藝對象的輸入，直接采用熱電偶模塊對應(yīng)地址提供的未經(jīng)處理的模擬量值，因此輸入組態(tài)為Input_PER(模擬量)；PID_Temp工藝對象的輸出值有三種類型：浮點(diǎn)數(shù)加熱輸出值OutputHeat，需要對輸出值經(jīng)過程序處理非線性等問題后方可作為加熱輸出值；模擬量加熱輸出值OutputHeat_PER，通過連續(xù)信號0-10V或4-20mA等控制加熱觸發(fā)器；脈寬調(diào)制加熱輸出值OutputHeat_PWM，通過數(shù)字量輸出控制加熱執(zhí)行器，可生成不同的 ON和 OFF時間。系統(tǒng)采用固態(tài)繼電器控制電熱管電源的通斷，因此，輸出值組態(tài)為OutputHeat_PWM。過程限值，組態(tài)為內(nèi)飾液壓機(jī)加熱溫度范圍0℃～300℃。

組態(tài)好PID_Temp工藝對象后，編寫好加熱系統(tǒng)的控制程序。根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)一組PID_Temp的比例增益、積分時間、微分時間、權(quán)重等參數(shù)后，進(jìn)行加熱試驗(yàn)，通過PID_Temp的精確調(diào)節(jié)后，得到適用于試驗(yàn)內(nèi)飾液壓機(jī)的PID參數(shù)如圖3所示。

圖3 PID_Temp參數(shù)

3 內(nèi)飾液壓機(jī)的加熱試驗(yàn)

將設(shè)計的電加熱系統(tǒng)用于某汽車內(nèi)飾液壓機(jī)，進(jìn)行加熱試驗(yàn)。設(shè)定加熱溫度為250℃。經(jīng)過1h30min，液壓機(jī)平臺溫度基本穩(wěn)定，且達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，升溫時間符合液壓機(jī)客戶要求的3h。試驗(yàn)設(shè)備及溫度控制效果如圖4、5所示。

圖4 試驗(yàn)汽車內(nèi)飾液壓機(jī)

熱電偶檢測溫度為液壓機(jī)工作平臺內(nèi)部溫度，而對模具加熱時，需要關(guān)注平臺表面溫度。在溫度穩(wěn)定狀態(tài)下，通過測溫儀測試上下平臺表面溫度，得到溫度曲線如圖6a、b所示。平臺表面因?yàn)樯峥?，溫度低于平臺內(nèi)部溫度；下平臺表面溫度差最大為8℃，上平臺表面溫度差最大為9℃，符合液壓機(jī)客戶要求的15℃；熱電偶測試的平臺內(nèi)部溫度基本與設(shè)置溫度持平，且穩(wěn)定性好。

圖5 溫度控制效果

4 結(jié)論

基于西門子1500-PLC集成的PID_Temp溫度控制工藝對象，設(shè)計了一種由脈寬調(diào)節(jié)控制電熱管通電/斷電時間的電加熱溫度控制系統(tǒng)。經(jīng)過專家經(jīng)驗(yàn)PID參數(shù)調(diào)節(jié)，將系統(tǒng)用于某汽車內(nèi)飾液壓機(jī)進(jìn)行加熱試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的溫度控制能夠達(dá)到液壓機(jī)客戶的升溫時間、最大溫差等要求。