基于西门子PID_temp的汽车内饰液压机电加热控制系统设计

2020-03-11吴艳芳

锻压装备与制造技术 2020年1期

谭波，吴艳芳

（1.重庆三峡职业学院，重庆 404000；2.重庆三峡学院，重庆 404000）

某96系列汽车内饰液压机，是用于汽车内饰件的专用生产设备，除了具有压制成型功能，还包括排气、模具加热等重要功能。其中，模具加热功能主要用于SMC等热固性模塑材料[1]汽车内饰件的热成型过程中的模具温度控制。合适的模具温度范围，可以提高汽车内饰制品的质量，缩短其成型周期；温度过高会损坏汽车内饰制品；温度过低会导致汽车内饰制品成型缺陷[2]。因此模具温度控制在汽车内饰液压机上尤为重要。

合肥合锻锻压机床有限公司的宋雨芳等人已经研制出利用模温机来作为汽车内饰液压机的模具加热系统[3]。模温机加热，通过模温机对特殊介质加热，然后通过管道将加热后的介质传输到模具内部，加热模具。这种方式具有方便使用，温度控制精度高的优点；但其控制系统独立于液压机控制系统外，具有通信程序复杂、集中控制性能低等缺点。随着PLC+HMI在液压机中的广泛应用，可将汽车内饰液压机的模具加热系统集中到液压机控制系统中，得到集中控制度高、不需要编写复杂通信程序的加热控制系统。大连三垒科技的许志胜等人，摒弃传统温控表方式，将西门子1500-PLC成功应用于挤出机温度控制[4]。

针对汽车内饰液压机的模具加热功能，利用西门子1500-PLC集成的PID_temp温度控制工艺对象，设计了一种电加热控制系统。

1 电加热控制系统的原理及系统设计

电加热控制系统与模温机加热方式不同，控制系统通过对电热管的温度控制，实现对液压机工作平台加热，加热后的高温平台又对放置在平台上的模具进行加热，整个系统和液压机控制系统集成在一起，不需要编写复杂的通信程序，集成度高。电加热控制系统如图1，包含人机交互操作系统，电加热温度控制系统，温度采集系统和断线诊断系统。

图1 电加热控制系统组成

1.1 人机交互操作系统

HMI广泛应用于液压机控制系统中，作为人机交互操作用。电加热控制系统的人机交互操作系统由硬件西门子KTP1200触摸屏和加热操作界面构成。

图2为电加热主要操作界面，可以显示上下工作平台共16个加热区（试验内饰液压机的上下平台根据尺寸各自合理分区为8）的实时温度，并进行温度设置。

图2 操作界面

1.2 电加热温度控制系统

温度控制系统是利用1500-PLC内置的PID_Temp温度控制工艺对象，对设置温度和采集系统的反馈温度进行对比计算，然后通过数字模块输出PWM脉宽控制信号，控制固态继电器的通断，转换为控制交流接触器的通断，实现对电热管电源的通断控制。通电时电热管发热，温度上升；由于环境温度低于平台温度，时刻在散热，一旦断电，电热管将停止发热，温度降低。电热管安装在工作平台内部，从而实现对液压机工作平台的温度控制。

1.3 温度采集系统

PID_Temp温度控制工艺对象，其实质是一种闭环控制算法，设置温度为给定量，液压机平台的实时温度为反馈量。系统通过放置在液压机工作平台内的热电偶实时检测平台的温度数据，反馈给热电偶模块，经过模数转换，转换成温度数据，提供给PID_Temp作为实时温度反馈。

1.4 断线诊断系统

电热管是管状电热元件的俗称，由金属管、电阻丝和导热性好、绝缘性好的氧化镁等制成[5]。电热管在制成后，其功率是固定的，不同的工作电压可得到不同的工作电流，且工作电流是稳定的。若工作电流与正常工作电流发生较大偏差或为0时，可以视为电热管发生故障断线。因此，系统中用互感器测试每组电热管的工作电流，通过模拟模块传输到PLC，作为断线诊断的电流依据。

1.5 电加热控制系统的硬件配置

电加热控制系统集成到液压机控制系统中，主要采用西门子1500-PLC作为控制器，其内置有PID_Temp温度控制工艺对象，系统的硬件配置如表1所示。

表1 电加热控制系统的主要硬件

2 PID_Temp工艺对象的组态与参数调节

西门子1500-PLC集成的PID控制器有多种，而PID_Temp工艺对象提供具有集成调节功能的连续PID控制器，专为温度控制而设计，适用于加热或加热/制冷应用。电加热控制系统，依据内饰液压机上下工作平台共16各加热区，组态了16个PID_Temp工艺对象，分别用于每个加热区的温度控制。

PID_Temp工艺对象的启动模式组态为手动模式，只有当系统在没有断线报警和其他安全报警时，存在启动命令时运行。工艺对象的输入，直接采用热电偶模块对应地址提供的未经处理的模拟量值，因此输入组态为Input_PER(模拟量)；PID_Temp工艺对象的输出值有三种类型：浮点数加热输出值OutputHeat，需要对输出值经过程序处理非线性等问题后方可作为加热输出值；模拟量加热输出值OutputHeat_PER，通过连续信号0-10V或4-20mA等控制加热触发器；脉宽调制加热输出值OutputHeat_PWM，通过数字量输出控制加热执行器，可生成不同的 ON和 OFF时间。系统采用固态继电器控制电热管电源的通断，因此，输出值组态为OutputHeat_PWM。过程限值，组态为内饰液压机加热温度范围0℃～300℃。

组态好PID_Temp工艺对象后，编写好加热系统的控制程序。根据专家经验预设一组PID_Temp的比例增益、积分时间、微分时间、权重等参数后，进行加热试验，通过PID_Temp的精确调节后，得到适用于试验内饰液压机的PID参数如图3所示。

图3 PID_Temp参数

3 内饰液压机的加热试验

将设计的电加热系统用于某汽车内饰液压机，进行加热试验。设定加热温度为250℃。经过1h30min，液压机平台温度基本稳定，且达到预设温度，升温时间符合液压机客户要求的3h。试验设备及温度控制效果如图4、5所示。

图4 试验汽车内饰液压机

热电偶检测温度为液压机工作平台内部温度，而对模具加热时，需要关注平台表面温度。在温度稳定状态下，通过测温仪测试上下平台表面温度，得到温度曲线如图6a、b所示。平台表面因为散热快，温度低于平台内部温度；下平台表面温度差最大为8℃，上平台表面温度差最大为9℃，符合液压机客户要求的15℃；热电偶测试的平台内部温度基本与设置温度持平，且稳定性好。