超塑成形液压机加热平台测温系统的结构及原理分析

周凌华

（湖州机床厂有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

超塑成形技术[1]已开始广泛应用于航空航天的零件制造领域，作为一种先进的近净成形技术，对传统液压机在实现超塑成形的工艺环境提出了苛刻的要求。该项技术对于常规状态下成形塑性差的材料，在特定的成形环境中，提高其塑性及延展性，从而成形出高强度、高刚度的整体性零件。超塑成形材料在成形过程中的温度范围极窄，因此对其温度的均匀性要求提出了极为苛刻的要求。超塑成形液压机的关键技术在于为材料的超塑成形提供良好的环境。而加热室[2]作为超塑成形的关键部件，其温度控制、升（降）温曲线的可控性至关重要。加热室由上下加热平台、左右炉门、前后炉门所包围成是一个封闭的空间。为保证整个加热室内空间的温度均匀性指标，加热平台一般采用分区温度控制，即将几个加热孔作为一组进行独立温度控制；加热系统的技术关键还在于加热孔的数量和分布设计，以及保温板、隔热板等部件的选材和尺寸设计。在实际使用过程中，为达到加热室及加热平台温度的精准控制，必须配置一套高效、准确的探测系统，作为控制、调节各加热区电流强度的依据，本文主要针对加热平台的温度探测及控制系统进行分析。

1 测温系统的搭建

1.1 传统测温系统结构[3]

经典的测温系统中，通常以单片机为核心，然后配合着其他器件，如温度传感器、变送器、A/D 转换器等，也能起到较好的温度测试效果。图1 是经典测温系统的整体结构设计框图。

图1 经典测温系统的整体结构设计框图

在PLC 出现之前，单片机作为温度测试系统的核心部件是非常不错的选择，但在PLC 普及后，以其通用性强、使用方便、可靠性高、抗干扰能力强、丰富的I/O 接口模块、方便组合的模块化结构、简单易学的编程、安装简单维修方便、驱动能力强等一系列优势，迅速取代了单片机的地位[4]。

1.2 测温系统的结构[5]与原理

测温系统主要的硬件由测温元件、信号转换元件、信号处理元件等。测温元件采用应用最普遍的热电偶，信号转换主要采用西门子SM331 热电偶模块，信号处理西门子S7-300 PLC 可编程控制器及工业触摸屏。

如图2 所示，系统以西门子S7-300 PLC 作为控制基础，通过热电偶反馈的热电势信号，在西门子SM331 热电偶换用模块内转换为模拟量信号，再经信号模块转换成PLC 内部处理用的数字信号，输送给PLC 经内部处理后在触摸屏上显示，便于操作员的观察，自动存储。各测温点测得的温度值跟触摸屏设定温度曲线经FM355 PID 闭环控制器对比、分析、运算后，输出调制方波信号（PWM）信号给相应的固态继电器，对不同区域加热管的开关时间进行调节，以达到迅速调节各点温度平衡的目的。

图2 测温系统的组成

2 测温系统各部分的功能

2.1 热电偶

热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便。如图3 所示，其通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用，在本系统中则和PLC 及温度模块配合使用。

图3 热电偶的构造

如图4 所示，在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。

图4 热电偶的测温原理

由于热电偶测量端存在接触热阻以及多重换热，其测温过程物理上构成一个延迟系统，其热端的温度变化总是滞后于被测温度的变化[7-9]。为能更准确地描述铠装热电偶的动态特性以获得较好的测量结果，工程上通常采用理论建模和实验建模结合的方式，并在样条函数的插值原理以及快速傅立叶算法的基础上辅以校正函数，来提高测量的动态精度[10]。

2.2 热电偶模块

由于温度中热电偶提供的是电动势信号，无法跟模拟量信号直接匹配，以往的做法通常是通过温度变送器将电动势信号转化为4～20mA 输出后接入模拟量信号，而通常温度变送器的价格昂贵。

现有的PLC 的温度模块已极大增强了系统用于温度测量和控制的能力，对于有温度测控要求的场合，无需昂贵的热电偶和热电阻变送器，用户通过配置温度模块就可以完成复杂的控制过程。

西门子SM331 模块主要由A/D 转换器、切换开关、恒流源、补偿电路、光隔离器及逻辑电路组成。A/D 转换采用积分方法，被测模拟量的精度是所设定积分时间的正函数。即积分时间越长，被测精度越高[11]。

如图5 所示，热电偶输出的电动势信号由补偿导线直接接入SM331 热电偶模块，经模块将电动势信号转换为模拟量信号，再经信号模块转换成PLC内部处理用的数字信号后，输送给FM355-2 PID 闭环控制模块进行PLC 内部处理。

图5 使用内部补偿的热电偶与模块的连接

2.3 闭环控制模块

由于温度控制系统是一个惯性较大的系统，当给温区开始加热之后，并不能立即观察得到温度的明显上升；同样的，当关闭加热之后，温度仍然有一定程度的上升。另外，热电偶对温度的检测，与实际的温度相比较，也存在一定的滞后效应。这给温度的控制带来了困难。因此，如果在温度检测值到达设定值时才关断输出，可能因温度的滞后效应而长时间超出设定值，需要较长时间才能回到设定值；如果在温度检测值未到设定值时即关断输出，则可能因关断较早而导致温度难以达到设定值。为了合理地处理系统响应速度（即加热速度）与系统稳定性之间地矛盾，我们把温度控制分为两个阶段，如图6 所示。

图6 温度控制的动态响应过程

（1）PID 调节前阶段：在这个阶段，因为温区的温度距离设定值还很远，为了加快加热速度，固态继电器（SSR）与加热元件处于满负荷输出状态，只有当温度上升速度超过控制参数“加速速率”，SSR 才关闭输出。用“加速速率”限制温升过快，是为了降低温度进入PID 调节区的惯性，避免首次到达温度设定值时超调过大。

在这个阶段，要么占空比K=0,SSR 关闭；要么占空比K=100%,SSR 全速输出。PID 控制模块不起作用，仅由“加速速率”控制温升快慢。

（2）PID 调节阶段：在这个阶段，PID 控制模块调节输出，根据偏差值计算占空比（0～100%），保证偏差（EV）趋近于零,即使系统受到外部干扰时，也能使系统回到平衡状态。

如图7 所示，PID 控制主要通过比例调节、积分调节和微分调节实现。比例调节按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差比例调节立即产生调节作用用以减少偏差；积分项消除系统的稳态误差，提高无差度；微分项反映系统过程变量的变化率，具有预见性，能预见变化的趋势，因此，能产生超前的调节作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。

图7 PID 控制原理公式

FM355-2 中一个PID 控制回路包括过程值采样回路，控制器回路和输出回路三个子回路。首先经过程值采样采得数据，然后与设定值相减算出偏差值，再经过PID 运算将结果通过输出信号输出到实际的控制器上。

由于PID 调节对象是一个连续变化的模拟量，所以最后的计算结果也是连续变化的模拟量，而本系统的加热系统是采用固态继电器输出控制加热元件通断时间的方式，所以PID 的输出最终应该是一个数字量。这就要对PID 输出结果进行离散化，再转化为调制方波脉冲串信号（PWM），即在固定周期内不同占空比的方波脉冲串信号[13]。

2.4 PLC 可编程控制器

系统设计的水平将直接影响控制系统的性能、设备的可靠性。这其中PLC 的选型[14]至关重要，因此需要根据整套探测系统选择合适的PLC，设计出运行平稳、动作可靠、安全实用、调试方便、易于维护的控制系统。

本系统中选择采用西门子S7-300 PLC 对SM331 热电偶模块输送的数字信号进行分析，并通过FM355 闭环控制器进行PID 运算后将模拟量信号输出给各个执行元件。

S7-300 PLC 是模块化小型PLC 系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。其具备高速（0.6～0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300 操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300 按用户指定的刷新速度传送这些数据。

当PLC 投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期，如图8 所示。在整个运行期间，PLC 的CPU 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，如图9 所示。

图8 PLC 的扫描周期

图9 PLC 的工作过程

本系统要求的最高温度达到1000℃，且各点的控制精度在升温过程中保持在±5℃，采用PLC 加上相应的温度模块，构成专用的温度控制系统，并采用PID 模糊控制[16]，试验证明获得了良好的效果，如图10 所示，中线测点温度与角测温点温度在整个升温及降温过程中始终保持高度一致。

图10 温度控制曲线

2.5 触摸屏（HMI）

本系统中，操作员在触摸屏上设定温度曲线和数值指令，指令通过现场Profinet 总线传送给PLC，PLC 将指令用于跟SM331 热电偶模块采集到的温度信号经FM355-2 PID 闭环控制模块对比分析；而同时SM331 热电偶模块采集到的温度呢信号经PLC内部处理后在触摸屏上显示，便于操作员的观察，并自动存储。

PLC 与触摸屏之间通过串口或以太网连接，如图11 所示，仅针对测温系统而言，触摸屏上可以设定最高温度，升/降温速度，温差允许上限值等，显示PLC 输入输出点的通断状态，从而显示各电气元件的通断状态或工作状态，可以实现故障的快速诊断，显示出故障内容以便及时排除，此外触摸屏还能存储300 套模具工艺参数。

图11 PLC 与触摸屏连接图

2.6 其他辅助构件

2.6.1 固态继电器（SSR）

PLC 通过FM355-2 PID 控制器输出方波信号到SSR，通过SSR 在固定周期内不同占空比的方波脉冲串信号，控制加热管的的通断时间，如图12 所示，工作时只要在A、B 上加上一定的控制信号,就可以控制C、D 两端之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能,其中耦合电路的功能是为A、B 端输入的控制信号提供一个输入/输出端之间的通道,但又在电气上断开SSR 中输入端和输出端之间的联系,以防止输出端对输入端的影响,耦合电路用的元件是“光耦合器”,它动作灵敏、响应速度高、输入/输出端间的绝缘（耐压）等级高;由于输入端的负载是发光二极管,这使SSR 的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配,在使用时可直接与计算机输出接口相接,即受“1”与“0”的逻辑电平控制。

图12 固态继电器工作原理

固态继电器相对于普通继电器而言，其具有以下特点[18，19]：

（1）高寿命，高可靠性。SSR 没有机械零部件，由固体器件完成触点功能，由于没有运动的零部件，因此能在高冲击、振动环境下工作，由于组成SSR 的元器件的固有特性，决定了SSR 的寿命长，可靠性高。

（2）灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好。SSR的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。

（3）快速转换。SSR 因为采用固体器件，所以切换速度可从几毫秒至几微秒。

（4）电磁干扰小。SSR 没有输入“线圈”，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。大多数交流输出SSR 是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。

2.6.2 屏蔽电缆

由于系统中存在强电流的输出，以及高温磁场的干扰，为减少外电磁场对电源或通信线路的影响，或防止线路向外辐射电磁能而影响控制系统，主要线缆采用屏蔽电缆，如图13 所示，屏蔽线主要使用金属网状编织层把信号线包裹起来，编织层一般是红铜或者镀锡铜。

图13 屏蔽线结构

屏蔽线的屏蔽层需正确接地，外来干扰信号可被该层导入大地，避免干扰信号进入内层导体干扰同时降低传输信号的损耗。但屏蔽层不允许多点接地，因为不同的接地点会存在电位差。如多点接地，在屏蔽层形成电流，感应到导线上形成电流，感应到信号线上形成干扰，不但起不到屏蔽作用，反而引进干扰。屏蔽线正确接地有助于提高系统的抗干扰性能，提升了总线通信系统的抗干扰能力，使其能够在恶劣的工作环境中正常、可靠运行[20]。

3 实践结果

测温系统的实践结果如图14、图15 所示，其中图14 表明在加热温度设定为500℃时的温度分布状况，其中：

图14 设定加热温度550℃时的温度分布

图15 设定加热温度760℃时的温度分布

（1）上平台（屏上显示滑块）最低温度441.0℃，最高温度442.9℃，最大温差1.9℃；

（2）下平台（屏上显示后工作台）最低温度418.7℃，最高温度420.2℃，最大温差1.5℃。

图15 表明在加热温度设定为760℃时的温度分布状况，其中：

（1）上平台（屏上显示滑块）最低温度742.8℃，最高温度746.8℃，最大温差4℃（剔除因热电偶损坏而产生的非正常温度768.3℃）；

（2）下平台（屏上显示后工作台）最低温度754.4℃，最高温度759.5℃，最大温差5.1℃。

加温速率以设定值80℃/h 上升，在屏幕右侧以温度—时间曲线的形式呈现，观察可控。

4 结语

（1）测试结果也对加热平台的设计方案作出了评估，结果表明炉门、耐火砖、隔热垫板、加热板的材料选择和尺寸设计、水冷方式及功率的选择可以满足设备要求的温度指标；

（1）实践证明，利用西门子S7-300 PLC 和模拟量输入模板设计的模拟量信号采集系统，系统结构简单明了，提高了系统的现场调试及维护效率；

（2）使用PLC 对温度数据进行处理和变换,硬件连接方便,软件也易实现，通过输出模拟量还可进一步实现精确调温或其他控制；

（3）本系统也可以在众多工业环境中引入该温度测试系统，如锅炉温度测试或者实验室仪器温度测试等，具有广泛的市场应用前景。

在测试技术发展中，各种先进的测试技术如激光技术[21]、视觉技术、射频技术甚至网络化测试技术等将越来越多地在工程项目中得到应用，测试手段将更快得向现代化、自动化、智能化[22]、数字化、虚拟化、网络化、一体化等方向发展[23]。

随着机械制造业的不断发展，生产单位会不断引进新型的测试技术，提高机械设备生产质量。近年来，我国机械制造业也出现了新一代的电子自动测试工具、新型数字测试系统以及电子测量仪等高科技产品，极大促进了测量技术的发展。未来我国测试技术将不断研发引进先进的测量设备。此外，技术人员还要不断创新测量方法，促进机械制造业技术水平的整体发展。