欧姆龙PLC在叶片成型模具多路温度控制中的应用

1 引言

大型风力发电机组中，风机叶片运行的稳定性直接决定着整个系统运行品质的优劣。在大型风力机复合材料叶片的生产过程中，叶片成型模具起着至关重要的作用。其中，叶片模具的温度是其加工成型过程中的重要工艺参数，对叶片成型模具的质量具有很大影响。如果温度控制的效果不佳，控制精度不高，控制系统的可靠性低，这些因素都将影响成型件的成型质量，甚至可能造成模具的局部烧损，导致模具失效，严重影响生产效率和产品交货周期。因此，模具加热装置的温度控制是风机叶片模具成型过程中的重要技术问题。它主要包括模具加热温度控制和模具温度均匀性补偿平衡控制。

模块型PLC具有配置灵活的特点，可根据需要选择不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。针对叶片成型模具加热过程中区域划分多且复杂，在注胶固化，温控停止与合模固化过程中对温度的动态以及静态偏差要求严格的特点，设计了以欧姆龙cj1g-cpu45h-p模块型plc作为总控制器的叶片成型模具多路温度控制系统以实现流程控制，并且满足叶片模具成型的工艺要求。

2 叶片成型模具温控系统工艺要求

在感应加热，红外加热和电阻加热等加热方式中，对叶片模具加热来说，电阻丝加热具有元件经久耐用、维修更换方便、操作简单、成本低廉等优点。电阻丝加热就是在模具的玻璃钢层中预埋加热电阻丝，加热电阻丝铺设在模具加热层（树脂+铝粉）之下。电阻丝加热方式虽然应用较普遍，但是随着风力机组容量的增长，风力机叶片的尺寸随之增大，兆瓦级大型风力机叶片模具的加热系统具有划分区域多且复杂的特点，在这一背景下，基于电阻丝加热方式的模具加热系统就显得缺乏可靠性，温度不易控制，易出现局部温度过高的现象，因此对于叶片成型模具的温度控制系统就提出了更高的工艺要求。

要具体言之，对于兆瓦级大型风力机叶片模具而言，一般情况下求模具型腔内加温能力至少为80℃；模具型腔恒温控制精度为±2℃；模具型面温度偏差不大于4℃（指模具温升动态过程）。成型过程的期望温度曲线如图1所示。

3 欧姆龙模块型plc简介

欧姆龙c系列plc产品门类齐，型号多，功能强，适用面广。其紧凑型结构的微型机以cj型机最为典型。经过筛选，欧姆龙cj型机中的cj1g-cpu45h-p型cpu单元适用于风电叶片成型模具的多路温度控制。

cj1g-cpu45h-p作为cpu单元的模块型plc的可靠性高，抗干扰能力强，并且适用于多路温度控制。cj1g系列plc所具有的温度控制单元支持2回路或4回路pid控制或on/off控制，其中2回路模式带加热路断路检测功能；同时用于pid控制的pid常数可以用自调整（at）来设定，正向操作（冷却）或反向操作（加热）可以任选；可以从温度传感器直接输入；采样周期为500ms；每个回路有2点内部报警；对于2回路模式，电流互感器接到每个回路，用来检测加热器的断路。

4 多路温度控制系统设计

4.1 系统体系结构

由于叶片成型模具是分为多个回路进行加热的，故在一个总控制器用于协调各路加热温度的基础上，每个单回路则分别进行各自区域的温度采集以及对温度场的加热，恒温保持与冷却工作。整个系统的控制原理如图2所示。

该多路温度控制系统应主要具有4个方面的基本功能，即实时控制功能、显示功能、数据处理功能、报警和故障处理功能。根据上述系统的主要功能，对该多路温度控制系统的总体结构进行设计，系统总体结构示意图如图3所示。整个温度测控系统的硬件包括数据采集模块、输出控制模块、热电阻、固态继电器、人机界面及总控制器等。下面分别从温度传感与采集，总控制器以及执行机构三部分介绍该系统整体体系结构。

（1）温度传感与采集

以单区温度测量为例，每个单区的型腔内设置两个测温点，每个单区的控制点温度测量使用2个欧姆龙公司的e52-p10ae型pt100热电阻，测量的最高温度可以满足温控系统的工艺要求，由于叶片成型模具型腔内测温不导电，故pt100无需安装绝缘套管。同时，采用pt100型热电阻测温可以有效避免采用热电偶作为传感器所产生的冷端补偿误差，提高温度测量的精确度。4通道输入模块cj1w-ad04u进行温度数据采集。

（2）总控制器

该多路温控系统采用欧姆龙公司的cj1g-cpu45h-p模块型plc作为总控制器来协调控制所有单回路的温度。该plc具有内置回路控制功能的cpu单元，可以直接实现多段温度及斜率控制。根据模具温控系统所要实现的功能，用户系统需要对以下内容进行程序开发：动画显示，编制控制策略，输出实时曲线、历史曲线、实时数据、历史数据，操作界面和菜单设计，外部设备连接，运行测试等。

（3）输出控制模块与执行机构

该系统采用16通道输出控制模块cj1w-od211通过g3na-410b型固态继电器分别控制各单区电阻加热丝的通断。g3na-410b型固态继电器可适用的输出负载为240-480vac，可以满足系统工作电压的要求。