超塑成形液壓機(jī)加熱平臺測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理分析

周凌華

（湖州機(jī)床廠有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

超塑成形技術(shù)[1]已開始廣泛應(yīng)用于航空航天的零件制造領(lǐng)域，作為一種先進(jìn)的近凈成形技術(shù)，對傳統(tǒng)液壓機(jī)在實(shí)現(xiàn)超塑成形的工藝環(huán)境提出了苛刻的要求。該項(xiàng)技術(shù)對于常規(guī)狀態(tài)下成形塑性差的材料，在特定的成形環(huán)境中，提高其塑性及延展性，從而成形出高強(qiáng)度、高剛度的整體性零件。超塑成形材料在成形過程中的溫度范圍極窄，因此對其溫度的均勻性要求提出了極為苛刻的要求。超塑成形液壓機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)在于為材料的超塑成形提供良好的環(huán)境。而加熱室[2]作為超塑成形的關(guān)鍵部件，其溫度控制、升（降）溫曲線的可控性至關(guān)重要。加熱室由上下加熱平臺、左右爐門、前后爐門所包圍成是一個(gè)封閉的空間。為保證整個(gè)加熱室內(nèi)空間的溫度均勻性指標(biāo)，加熱平臺一般采用分區(qū)溫度控制，即將幾個(gè)加熱孔作為一組進(jìn)行獨(dú)立溫度控制；加熱系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵還在于加熱孔的數(shù)量和分布設(shè)計(jì)，以及保溫板、隔熱板等部件的選材和尺寸設(shè)計(jì)。在實(shí)際使用過程中，為達(dá)到加熱室及加熱平臺溫度的精準(zhǔn)控制，必須配置一套高效、準(zhǔn)確的探測系統(tǒng)，作為控制、調(diào)節(jié)各加熱區(qū)電流強(qiáng)度的依據(jù)，本文主要針對加熱平臺的溫度探測及控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1 測溫系統(tǒng)的搭建

1.1 傳統(tǒng)測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[3]

經(jīng)典的測溫系統(tǒng)中，通常以單片機(jī)為核心，然后配合著其他器件，如溫度傳感器、變送器、A/D 轉(zhuǎn)換器等，也能起到較好的溫度測試效果。圖1 是經(jīng)典測溫系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖。

圖1 經(jīng)典測溫系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

在PLC 出現(xiàn)之前，單片機(jī)作為溫度測試系統(tǒng)的核心部件是非常不錯(cuò)的選擇，但在PLC 普及后，以其通用性強(qiáng)、使用方便、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、豐富的I/O 接口模塊、方便組合的模塊化結(jié)構(gòu)、簡單易學(xué)的編程、安裝簡單維修方便、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等一系列優(yōu)勢，迅速取代了單片機(jī)的地位[4]。

1.2 測溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[5]與原理

測溫系統(tǒng)主要的硬件由測溫元件、信號轉(zhuǎn)換元件、信號處理元件等。測溫元件采用應(yīng)用最普遍的熱電偶，信號轉(zhuǎn)換主要采用西門子SM331 熱電偶模塊，信號處理西門子S7-300 PLC 可編程控制器及工業(yè)觸摸屏。

如圖2 所示，系統(tǒng)以西門子S7-300 PLC 作為控制基礎(chǔ)，通過熱電偶反饋的熱電勢信號，在西門子SM331 熱電偶換用模塊內(nèi)轉(zhuǎn)換為模擬量信號，再經(jīng)信號模塊轉(zhuǎn)換成PLC 內(nèi)部處理用的數(shù)字信號，輸送給PLC 經(jīng)內(nèi)部處理后在觸摸屏上顯示，便于操作員的觀察，自動(dòng)存儲。各測溫點(diǎn)測得的溫度值跟觸摸屏設(shè)定溫度曲線經(jīng)FM355 PID 閉環(huán)控制器對比、分析、運(yùn)算后，輸出調(diào)制方波信號（PWM）信號給相應(yīng)的固態(tài)繼電器，對不同區(qū)域加熱管的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到迅速調(diào)節(jié)各點(diǎn)溫度平衡的目的。

圖2 測溫系統(tǒng)的組成

2 測溫系統(tǒng)各部分的功能

2.1 熱電偶

熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，應(yīng)用極為廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便于遠(yuǎn)傳等許多優(yōu)點(diǎn)。另外，由于熱電偶是一種有源傳感器，測量時(shí)不需外加電源，使用十分方便。如圖3 所示，其通常由熱電極、絕緣套保護(hù)管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表、記錄儀表及電子調(diào)節(jié)器配套使用，在本系統(tǒng)中則和PLC 及溫度模塊配合使用。

圖3 熱電偶的構(gòu)造

如圖4 所示，在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時(shí)，可接入測量儀表，測得熱電動(dòng)勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。

圖4 熱電偶的測溫原理

由于熱電偶測量端存在接觸熱阻以及多重?fù)Q熱，其測溫過程物理上構(gòu)成一個(gè)延遲系統(tǒng)，其熱端的溫度變化總是滯后于被測溫度的變化[7-9]。為能更準(zhǔn)確地描述鎧裝熱電偶的動(dòng)態(tài)特性以獲得較好的測量結(jié)果，工程上通常采用理論建模和實(shí)驗(yàn)建模結(jié)合的方式，并在樣條函數(shù)的插值原理以及快速傅立葉算法的基礎(chǔ)上輔以校正函數(shù)，來提高測量的動(dòng)態(tài)精度[10]。

2.2 熱電偶模塊

由于溫度中熱電偶提供的是電動(dòng)勢信號，無法跟模擬量信號直接匹配，以往的做法通常是通過溫度變送器將電動(dòng)勢信號轉(zhuǎn)化為4～20mA 輸出后接入模擬量信號，而通常溫度變送器的價(jià)格昂貴。

現(xiàn)有的PLC 的溫度模塊已極大增強(qiáng)了系統(tǒng)用于溫度測量和控制的能力，對于有溫度測控要求的場合，無需昂貴的熱電偶和熱電阻變送器，用戶通過配置溫度模塊就可以完成復(fù)雜的控制過程。

西門子SM331 模塊主要由A/D 轉(zhuǎn)換器、切換開關(guān)、恒流源、補(bǔ)償電路、光隔離器及邏輯電路組成。A/D 轉(zhuǎn)換采用積分方法，被測模擬量的精度是所設(shè)定積分時(shí)間的正函數(shù)。即積分時(shí)間越長，被測精度越高[11]。

如圖5 所示，熱電偶輸出的電動(dòng)勢信號由補(bǔ)償導(dǎo)線直接接入SM331 熱電偶模塊，經(jīng)模塊將電動(dòng)勢信號轉(zhuǎn)換為模擬量信號，再經(jīng)信號模塊轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部處理用的數(shù)字信號后，輸送給FM355-2 PID 閉環(huán)控制模塊進(jìn)行PLC 內(nèi)部處理。

圖5 使用內(nèi)部補(bǔ)償?shù)臒犭娕寂c模塊的連接

2.3 閉環(huán)控制模塊

由于溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)慣性較大的系統(tǒng)，當(dāng)給溫區(qū)開始加熱之后，并不能立即觀察得到溫度的明顯上升；同樣的，當(dāng)關(guān)閉加熱之后，溫度仍然有一定程度的上升。另外，熱電偶對溫度的檢測，與實(shí)際的溫度相比較，也存在一定的滯后效應(yīng)。這給溫度的控制帶來了困難。因此，如果在溫度檢測值到達(dá)設(shè)定值時(shí)才關(guān)斷輸出，可能因溫度的滯后效應(yīng)而長時(shí)間超出設(shè)定值，需要較長時(shí)間才能回到設(shè)定值；如果在溫度檢測值未到設(shè)定值時(shí)即關(guān)斷輸出，則可能因關(guān)斷較早而導(dǎo)致溫度難以達(dá)到設(shè)定值。為了合理地處理系統(tǒng)響應(yīng)速度（即加熱速度）與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間地矛盾，我們把溫度控制分為兩個(gè)階段，如圖6 所示。

圖6 溫度控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程

（1）PID 調(diào)節(jié)前階段：在這個(gè)階段，因?yàn)闇貐^(qū)的溫度距離設(shè)定值還很遠(yuǎn)，為了加快加熱速度，固態(tài)繼電器（SSR）與加熱元件處于滿負(fù)荷輸出狀態(tài)，只有當(dāng)溫度上升速度超過控制參數(shù)“加速速率”，SSR 才關(guān)閉輸出。用“加速速率”限制溫升過快，是為了降低溫度進(jìn)入PID 調(diào)節(jié)區(qū)的慣性，避免首次到達(dá)溫度設(shè)定值時(shí)超調(diào)過大。

在這個(gè)階段，要么占空比K=0,SSR 關(guān)閉；要么占空比K=100%,SSR 全速輸出。PID 控制模塊不起作用，僅由“加速速率”控制溫升快慢。

（2）PID 調(diào)節(jié)階段：在這個(gè)階段，PID 控制模塊調(diào)節(jié)輸出，根據(jù)偏差值計(jì)算占空比（0～100%），保證偏差（EV）趨近于零,即使系統(tǒng)受到外部干擾時(shí)，也能使系統(tǒng)回到平衡狀態(tài)。

如圖7 所示，PID 控制主要通過比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。比例調(diào)節(jié)按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差；積分項(xiàng)消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度；微分項(xiàng)反映系統(tǒng)過程變量的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見變化的趨勢，因此，能產(chǎn)生超前的調(diào)節(jié)作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。

圖7 PID 控制原理公式

FM355-2 中一個(gè)PID 控制回路包括過程值采樣回路，控制器回路和輸出回路三個(gè)子回路。首先經(jīng)過程值采樣采得數(shù)據(jù)，然后與設(shè)定值相減算出偏差值，再經(jīng)過PID 運(yùn)算將結(jié)果通過輸出信號輸出到實(shí)際的控制器上。

由于PID 調(diào)節(jié)對象是一個(gè)連續(xù)變化的模擬量，所以最后的計(jì)算結(jié)果也是連續(xù)變化的模擬量，而本系統(tǒng)的加熱系統(tǒng)是采用固態(tài)繼電器輸出控制加熱元件通斷時(shí)間的方式，所以PID 的輸出最終應(yīng)該是一個(gè)數(shù)字量。這就要對PID 輸出結(jié)果進(jìn)行離散化，再轉(zhuǎn)化為調(diào)制方波脈沖串信號（PWM），即在固定周期內(nèi)不同占空比的方波脈沖串信號[13]。

2.4 PLC 可編程控制器

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的水平將直接影響控制系統(tǒng)的性能、設(shè)備的可靠性。這其中PLC 的選型[14]至關(guān)重要，因此需要根據(jù)整套探測系統(tǒng)選擇合適的PLC，設(shè)計(jì)出運(yùn)行平穩(wěn)、動(dòng)作可靠、安全實(shí)用、調(diào)試方便、易于維護(hù)的控制系統(tǒng)。

本系統(tǒng)中選擇采用西門子S7-300 PLC 對SM331 熱電偶模塊輸送的數(shù)字信號進(jìn)行分析，并通過FM355 閉環(huán)控制器進(jìn)行PID 運(yùn)算后將模擬量信號輸出給各個(gè)執(zhí)行元件。

S7-300 PLC 是模塊化小型PLC 系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。各種單獨(dú)模塊之間可進(jìn)行廣泛組合構(gòu)成不同要求的系統(tǒng)。其具備高速（0.6～0.1μs）的指令運(yùn)算速度；用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算比較有效地實(shí)現(xiàn)了更為復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算；一個(gè)帶標(biāo)準(zhǔn)用戶接口的軟件工具方便用戶給所有模塊進(jìn)行參數(shù)賦值；方便的人機(jī)界面服務(wù)已經(jīng)集成在S7-300 操作系統(tǒng)內(nèi)，人機(jī)對話的編程要求大大減少。人機(jī)界面（HMI）從S7-300中取得數(shù)據(jù)，S7-300 按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。

當(dāng)PLC 投入運(yùn)行后，其工作過程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期，如圖8 所示。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC 的CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段，如圖9 所示。

圖8 PLC 的掃描周期

圖9 PLC 的工作過程

本系統(tǒng)要求的最高溫度達(dá)到1000℃，且各點(diǎn)的控制精度在升溫過程中保持在±5℃，采用PLC 加上相應(yīng)的溫度模塊，構(gòu)成專用的溫度控制系統(tǒng)，并采用PID 模糊控制[16]，試驗(yàn)證明獲得了良好的效果，如圖10 所示，中線測點(diǎn)溫度與角測溫點(diǎn)溫度在整個(gè)升溫及降溫過程中始終保持高度一致。

圖10 溫度控制曲線

2.5 觸摸屏（HMI）

本系統(tǒng)中，操作員在觸摸屏上設(shè)定溫度曲線和數(shù)值指令，指令通過現(xiàn)場Profinet 總線傳送給PLC，PLC 將指令用于跟SM331 熱電偶模塊采集到的溫度信號經(jīng)FM355-2 PID 閉環(huán)控制模塊對比分析；而同時(shí)SM331 熱電偶模塊采集到的溫度呢信號經(jīng)PLC內(nèi)部處理后在觸摸屏上顯示，便于操作員的觀察，并自動(dòng)存儲。

PLC 與觸摸屏之間通過串口或以太網(wǎng)連接，如圖11 所示，僅針對測溫系統(tǒng)而言，觸摸屏上可以設(shè)定最高溫度，升/降溫速度，溫差允許上限值等，顯示PLC 輸入輸出點(diǎn)的通斷狀態(tài)，從而顯示各電氣元件的通斷狀態(tài)或工作狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)故障的快速診斷，顯示出故障內(nèi)容以便及時(shí)排除，此外觸摸屏還能存儲300 套模具工藝參數(shù)。

圖11 PLC 與觸摸屏連接圖

2.6 其他輔助構(gòu)件

2.6.1 固態(tài)繼電器（SSR）

PLC 通過FM355-2 PID 控制器輸出方波信號到SSR，通過SSR 在固定周期內(nèi)不同占空比的方波脈沖串信號，控制加熱管的的通斷時(shí)間，如圖12 所示，工作時(shí)只要在A、B 上加上一定的控制信號,就可以控制C、D 兩端之間的“通”和“斷”，實(shí)現(xiàn)“開關(guān)”的功能,其中耦合電路的功能是為A、B 端輸入的控制信號提供一個(gè)輸入/輸出端之間的通道,但又在電氣上斷開SSR 中輸入端和輸出端之間的聯(lián)系,以防止輸出端對輸入端的影響,耦合電路用的元件是“光耦合器”,它動(dòng)作靈敏、響應(yīng)速度高、輸入/輸出端間的絕緣（耐壓）等級高;由于輸入端的負(fù)載是發(fā)光二極管,這使SSR 的輸入端很容易做到與輸入信號電平相匹配,在使用時(shí)可直接與計(jì)算機(jī)輸出接口相接,即受“1”與“0”的邏輯電平控制。

圖12 固態(tài)繼電器工作原理

固態(tài)繼電器相對于普通繼電器而言，其具有以下特點(diǎn)[18，19]：

（1）高壽命，高可靠性。SSR 沒有機(jī)械零部件，由固體器件完成觸點(diǎn)功能，由于沒有運(yùn)動(dòng)的零部件，因此能在高沖擊、振動(dòng)環(huán)境下工作，由于組成SSR 的元器件的固有特性，決定了SSR 的壽命長，可靠性高。

（2）靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好。SSR的輸入電壓范圍較寬，驅(qū)動(dòng)功率低，可與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅(qū)動(dòng)器。

（3）快速轉(zhuǎn)換。SSR 因?yàn)椴捎霉腆w器件，所以切換速度可從幾毫秒至幾微秒。

（4）電磁干擾小。SSR 沒有輸入“線圈”，沒有觸點(diǎn)燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。大多數(shù)交流輸出SSR 是一個(gè)零電壓開關(guān)，在零電壓處導(dǎo)通，零電流處關(guān)斷，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開關(guān)瞬態(tài)效應(yīng)。

2.6.2 屏蔽電纜

由于系統(tǒng)中存在強(qiáng)電流的輸出，以及高溫磁場的干擾，為減少外電磁場對電源或通信線路的影響，或防止線路向外輻射電磁能而影響控制系統(tǒng)，主要線纜采用屏蔽電纜，如圖13 所示，屏蔽線主要使用金屬網(wǎng)狀編織層把信號線包裹起來，編織層一般是紅銅或者鍍錫銅。

圖13 屏蔽線結(jié)構(gòu)

屏蔽線的屏蔽層需正確接地，外來干擾信號可被該層導(dǎo)入大地，避免干擾信號進(jìn)入內(nèi)層導(dǎo)體干擾同時(shí)降低傳輸信號的損耗。但屏蔽層不允許多點(diǎn)接地，因?yàn)椴煌慕拥攸c(diǎn)會存在電位差。如多點(diǎn)接地，在屏蔽層形成電流，感應(yīng)到導(dǎo)線上形成電流，感應(yīng)到信號線上形成干擾，不但起不到屏蔽作用，反而引進(jìn)干擾。屏蔽線正確接地有助于提高系統(tǒng)的抗干擾性能，提升了總線通信系統(tǒng)的抗干擾能力，使其能夠在惡劣的工作環(huán)境中正常、可靠運(yùn)行[20]。

3 實(shí)踐結(jié)果

測溫系統(tǒng)的實(shí)踐結(jié)果如圖14、圖15 所示，其中圖14 表明在加熱溫度設(shè)定為500℃時(shí)的溫度分布狀況，其中：

圖14 設(shè)定加熱溫度550℃時(shí)的溫度分布

圖15 設(shè)定加熱溫度760℃時(shí)的溫度分布

（1）上平臺（屏上顯示滑塊）最低溫度441.0℃，最高溫度442.9℃，最大溫差1.9℃；

（2）下平臺（屏上顯示后工作臺）最低溫度418.7℃，最高溫度420.2℃，最大溫差1.5℃。

圖15 表明在加熱溫度設(shè)定為760℃時(shí)的溫度分布狀況，其中：

（1）上平臺（屏上顯示滑塊）最低溫度742.8℃，最高溫度746.8℃，最大溫差4℃（剔除因熱電偶損壞而產(chǎn)生的非正常溫度768.3℃）；

（2）下平臺（屏上顯示后工作臺）最低溫度754.4℃，最高溫度759.5℃，最大溫差5.1℃。

加溫速率以設(shè)定值80℃/h 上升，在屏幕右側(cè)以溫度—時(shí)間曲線的形式呈現(xiàn)，觀察可控。

4 結(jié)語

（1）測試結(jié)果也對加熱平臺的設(shè)計(jì)方案作出了評估，結(jié)果表明爐門、耐火磚、隔熱墊板、加熱板的材料選擇和尺寸設(shè)計(jì)、水冷方式及功率的選擇可以滿足設(shè)備要求的溫度指標(biāo)；

（1）實(shí)踐證明，利用西門子S7-300 PLC 和模擬量輸入模板設(shè)計(jì)的模擬量信號采集系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單明了，提高了系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試及維護(hù)效率；

（2）使用PLC 對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和變換,硬件連接方便,軟件也易實(shí)現(xiàn)，通過輸出模擬量還可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)精確調(diào)溫或其他控制；

（3）本系統(tǒng)也可以在眾多工業(yè)環(huán)境中引入該溫度測試系統(tǒng)，如鍋爐溫度測試或者實(shí)驗(yàn)室儀器溫度測試等，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。

在測試技術(shù)發(fā)展中，各種先進(jìn)的測試技術(shù)如激光技術(shù)[21]、視覺技術(shù)、射頻技術(shù)甚至網(wǎng)絡(luò)化測試技術(shù)等將越來越多地在工程項(xiàng)目中得到應(yīng)用，測試手段將更快得向現(xiàn)代化、自動(dòng)化、智能化[22]、數(shù)字化、虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化、一體化等方向發(fā)展[23]。

隨著機(jī)械制造業(yè)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)單位會不斷引進(jìn)新型的測試技術(shù)，提高機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)質(zhì)量。近年來，我國機(jī)械制造業(yè)也出現(xiàn)了新一代的電子自動(dòng)測試工具、新型數(shù)字測試系統(tǒng)以及電子測量儀等高科技產(chǎn)品，極大促進(jìn)了測量技術(shù)的發(fā)展。未來我國測試技術(shù)將不斷研發(fā)引進(jìn)先進(jìn)的測量設(shè)備。此外，技術(shù)人員還要不斷創(chuàng)新測量方法，促進(jìn)機(jī)械制造業(yè)技術(shù)水平的整體發(fā)展。