西門子6SL3120-2TE15-0AA4技術(shù)參數(shù)
1 引言
大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中,風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行的穩(wěn)定性直接決定著整個系統(tǒng)運(yùn)行品質(zhì)的優(yōu)劣。在大型風(fēng)力機(jī)復(fù)合材料葉片的生產(chǎn)過程中,葉片成型模具起著至關(guān)重要的作用。其中,葉片模具的溫度是其加工成型過程中的重要工藝參數(shù),對葉片成型模具的質(zhì)量具有很大影響。如果溫度控制的效果不佳,控制精度不高,控制系統(tǒng)的可靠性低,這些因素都將影響成型件的成型質(zhì)量,甚至可能造成模具的局部燒損,導(dǎo)致模具失效,嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品交貨周期。因此,模具加熱裝置的溫度控制是風(fēng)機(jī)葉片模具成型過程中的重要技術(shù)問題。它主要包括模具加熱溫度控制和模具溫度均勻性補(bǔ)償平衡控制[1-2]。
模塊型plc具有配置靈活的特點(diǎn),可根據(jù)需要選擇不同規(guī)模的系統(tǒng),而且裝配方便,便于擴(kuò)展和維修。針對葉片成型模具加熱過程中區(qū)域劃分多且復(fù)雜,在注膠固化,溫控停止與合模固化過程中對溫度的動態(tài)以及靜態(tài)偏差要求嚴(yán)格的特點(diǎn),設(shè)計了以歐姆龍cj1g-cpu45h-p模塊型plc作為總控制器的葉片成型模具多路溫度控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)流程控制,并且滿足葉片模具成型的工藝要求。
2 葉片成型模具溫控系統(tǒng)工藝要求
在感應(yīng)加熱,紅外加熱和電阻加熱等加熱方式中,對葉片模具加熱來說,電阻絲加熱具有元件經(jīng)久耐用、維修更換方便、操作簡單、廉等優(yōu)點(diǎn)。電阻絲加熱就是在模具的玻璃鋼層中預(yù)埋加熱電阻絲,加熱電阻絲鋪設(shè)在模具加熱層(樹脂+)之下[3]。電阻絲加熱方式雖然應(yīng)用較普遍,但是隨著風(fēng)力機(jī)組容量的增長,風(fēng)力機(jī)葉片的尺寸隨之增大,兆瓦級大型風(fēng)力機(jī)葉片模具的加熱系統(tǒng)具有劃分區(qū)域多且復(fù)雜的特點(diǎn),在這一背景下,基于電阻絲加熱方式的模具加熱系統(tǒng)就顯得缺乏可靠性,溫度不易控制,易出現(xiàn)局部溫度過高的現(xiàn)象,因此對于葉片成型模具的溫度控制系統(tǒng)就提出了更高的工藝要求。
具體言之,對于兆瓦級大型風(fēng)力機(jī)葉片模具而言,一般情況下要求模具型腔內(nèi)加溫能力至少為80℃;模具型腔恒溫控制精度為±2℃;模具型面溫度偏差不大于4℃(指模具溫升動態(tài)過程)。
3 歐姆龍模塊型plc簡介
歐姆龍c系列plc產(chǎn)品門類齊,型號多,功能強(qiáng),適用面廣。其緊湊型結(jié)構(gòu)的微型機(jī)以cj型機(jī)最為典型。經(jīng)過篩選,歐姆龍cj型機(jī)中的cj1g-cpu45h-p型cpu單元適用于風(fēng)電葉片成型模具的多路溫度控制。
cj1g-cpu45h-p作為cpu單元的模塊型plc的可靠性高,抗干擾能力強(qiáng),并且適用于多路溫度控制。cj1g系列plc所具有的溫度控制單元支持2回路或4回路pid控制或on/off控制,其中2回路模式帶加熱路斷路檢測功能;同時用于pid控制的pid常數(shù)可以用自調(diào)整(at)來設(shè)定,正向操作(冷卻)或反向操作(加熱)可以任選;可以從溫度傳感器直接輸入;采樣周期為500ms;每個回路有2點(diǎn)內(nèi)部報警;對于2回路模式,電流互感器接到每個回路,用來檢測加熱器的斷路。
4 多路溫度控制系統(tǒng)設(shè)計
4.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
由于葉片成型模具是分為多個回路進(jìn)行加熱的,故在一個總控制器用于協(xié)調(diào)各路加熱溫度的基礎(chǔ)上,每個單回路則分別進(jìn)行各自區(qū)域的溫度采集以及對溫度場的加熱,恒溫保持與冷卻工作。
該多路溫度控制系統(tǒng)應(yīng)主要具有4個方面的基本功能,即實(shí)時控制功能、顯示功能、數(shù)據(jù)處理功能、報警和故障處理功能[4]。根據(jù)上述系統(tǒng)的主要功能,對該多路溫度控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。整個溫度測控系統(tǒng)的硬件包括數(shù)據(jù)采集模塊、輸出控制模塊、熱電阻、固態(tài)繼電器、人機(jī)界面及總控制器等。下面分別從溫度傳感與采集,總控制器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分介紹該系統(tǒng)整體體系結(jié)構(gòu)。
(1)溫度傳感與采集
以單區(qū)溫度測量為例,每個單區(qū)的型腔內(nèi)設(shè)置兩個測溫點(diǎn),每個單區(qū)的控制點(diǎn)溫度測量使用2個歐姆龍公司的e52-p10ae型pt100熱電阻,測量的最高溫度可以滿足溫控系統(tǒng)的工藝要求,由于葉片成型模具型腔內(nèi)測溫不導(dǎo)電,故pt100無需安裝絕緣套管。同時,采用pt100型熱電阻測溫可以有效避免采用熱電偶作為傳感器所產(chǎn)生的冷端補(bǔ)償誤差,提高溫度測量的精確度。4通道輸入模塊cj1w-ad04u進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集。
(2)總控制器
該多路溫控系統(tǒng)采用歐姆龍公司的cj1g-cpu45h-p模塊型plc作為總控制器來協(xié)調(diào)控制所有單回路的溫度。該plc具有內(nèi)置回路控制功能的cpu單元,可以直接實(shí)現(xiàn)多段溫度及斜率控制。根據(jù)模具溫控系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能,用戶系統(tǒng)需要對以下內(nèi)容進(jìn)行程序開發(fā):動畫顯示,編制控制策略,輸出實(shí)時曲線、歷史曲線、實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù),操作界面和菜單設(shè)計,外部設(shè)備連接,運(yùn)行測試等。
(3)輸出控制模塊與執(zhí)行機(jī)構(gòu)
該系統(tǒng)采用16通道輸出控制模塊cj1w-od211通過g3na-410b型固態(tài)繼電器分別控制各單區(qū)電阻加熱絲的通斷。g3na-410b型固態(tài)繼電器可適用的輸出負(fù)載為240-480vac,可以滿足系統(tǒng)工作電壓的要求。
該多路溫度控制系統(tǒng)的主要控制元件選型清單見表2。所配備的控制裝置最多支持68個單回路的溫度控制。
4.2 流程控制的設(shè)計
該控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)通過在歐姆龍工控組態(tài)軟件
cx-programmer上進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)來完成?;诮M態(tài)軟件開發(fā)的用戶應(yīng)用系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行策略5個部分構(gòu)成。具體成型過程的控制流程示意圖如圖4所示,由圖4可知,通過傳感器測量和溫度模塊采集到的各單回路實(shí)時溫度值均存入實(shí)時數(shù)據(jù)庫,用戶在主控窗口中調(diào)出實(shí)時數(shù)據(jù)庫即可觀察到各單回路的當(dāng)前溫度值,從而對溫度異常點(diǎn)做出相應(yīng)的處理。溫度采集模塊與輸出控制模塊的運(yùn)行狀態(tài)可以通過設(shè)備窗口得知。與此同時,圖4中葉片模具成型過程的每一個階段里,溫升與恒溫保持等流程均以相應(yīng)的控制策略存儲在應(yīng)用系統(tǒng)中,即在每一階段運(yùn)行相應(yīng)的控制策略以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的成型流程。用戶通過用戶窗口可以得知當(dāng)前成型過程所處階段的系統(tǒng)狀態(tài),當(dāng)用戶窗口出現(xiàn)圖4中所示的報警信息時,用戶可以根據(jù)所顯示的報警信息手動進(jìn)行各通道的加熱升溫、冷卻降溫、恒溫保持、啟動和停止等一系列動作。最終使每一個階段的成型過程滿足工藝要求。用戶應(yīng)用系統(tǒng)5個部分具體的結(jié)構(gòu)組成如下。
系統(tǒng)框架在主控窗口中構(gòu)建。實(shí)時數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)核心,用于管理所有的實(shí)時數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)中共建立了140個數(shù)據(jù)對象,包括4個系統(tǒng)內(nèi)建數(shù)據(jù)對象、最多支持68個單回路,共136個溫度控制點(diǎn)的實(shí)時溫度數(shù)據(jù)和加熱冷卻的溫度控制閥值、開關(guān)型的控制參數(shù)以及組對象等。這些數(shù)據(jù)對象根據(jù)其實(shí)現(xiàn)功能的不同分別被賦予不同的屬性。
設(shè)備窗口中定義了數(shù)據(jù)采集模塊cj1w-ad04u和輸出控制模塊cj1w-od211,數(shù)據(jù)采集模塊的4個通道分別與溫度控制點(diǎn)實(shí)時溫度數(shù)據(jù)連接,輸出控制模塊的16通道與加熱及冷卻的開關(guān)型控制參數(shù)相連接。
用戶窗口用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與流程的可視化。主界面顯示當(dāng)前的溫度值、設(shè)定的模具型腔恒溫控制精度,模具型面溫度偏差以及當(dāng)前的控制狀態(tài);設(shè)計了曲線顯示窗口分別顯示每個溫度控制點(diǎn)和組對象的實(shí)時曲線和歷史曲線;溫度控制點(diǎn)設(shè)置和溫度運(yùn)行控制窗口通過hmi的實(shí)時顯示后可以供操作員手動進(jìn)行各通道的加熱升溫、冷卻降溫、恒溫保持、啟動和停止等一系列動作。
4.3 控制策略與精度分析
由于對所有單回路都要實(shí)時保持著準(zhǔn)確的測量、pid控制和良好的人機(jī)對話接口,所以必需要有一套合理的控制算法。對于圖4中所示的控制流程通過定義相應(yīng)的運(yùn)行策略來實(shí)現(xiàn)。對于每一路的電阻絲加熱或冷卻進(jìn)行單獨(dú)控制的時間循環(huán)通過設(shè)計如下的循環(huán)策略并編寫腳本程序?qū)崿F(xiàn),當(dāng)控制點(diǎn)初始溫度小于所處階段的加熱閥值時,啟動加熱;當(dāng)實(shí)測溫度值達(dá)到該階段的加熱閥值時,相應(yīng)的固態(tài)繼電器斷開,停止加熱。模具的保溫主要通過運(yùn)行報警策略控制電阻加熱絲的開關(guān)得以實(shí)現(xiàn)。
與此同時,由于pid只能輸出mv值,即0~100%的模擬量信號,在控制系統(tǒng)中使用了cj1g-cpu45h-p模塊型plc的tpo指令作為占空比計算工具,即可將對應(yīng)的mv值轉(zhuǎn)換為開關(guān)量的開關(guān)on/off狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)了對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。
對于實(shí)時溫度測量傳感器而言,本溫控系統(tǒng)采用的e52-p10ae型pt100精確度屬于b級,它的測量溫度誤差δt=±(0.3+5×10-3t),因此其測溫誤差足以滿足±0.7℃的溫度測量誤差要求。同時由于系統(tǒng)設(shè)計的中斷控制程序能夠保證對所有單回路進(jìn)行控制操作的實(shí)時性,所以可以滿足葉片模具成型過程中各分區(qū)型腔內(nèi)對溫度±2℃的靜態(tài)偏差要求以及模具型面溫升過程中不大于4℃的動態(tài)偏差要求。
占空比系數(shù)是根據(jù)測量值與設(shè)定值的偏差大小、加熱速率確定的,偏差越大,占空比越大,加熱時間就越長[5]。待下次的測量值出現(xiàn),重新調(diào)節(jié)占空比,直到達(dá)到恒溫階段,這個時候系統(tǒng)的加熱/冷卻達(dá)到平衡。若恒溫過程中出現(xiàn)干擾時,如環(huán)境突然的變化破壞了恒溫階段平衡,此時系統(tǒng)會自動地調(diào)節(jié)占空比,使之重新達(dá)到平衡。
4 結(jié)束語
本文將歐姆龍plc應(yīng)用于風(fēng)電葉片成型模具多路溫度控制當(dāng)中,所設(shè)計的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,廉,。以歐姆龍模塊型plc及相應(yīng)外圍元件構(gòu)成硬件環(huán)境,以pid為基本控制算法的支持軟件,對多路溫度的測量、流程控制與控制算法進(jìn)行了有效的設(shè)計,保證了測量、控制的實(shí)時性,不會因?yàn)槁窋?shù)過多而影響控制精度。可以有效解決溫升與恒溫過程中各區(qū)之間溫度不均勻的問題。分析結(jié)果表明,cj1g-cpu45h-p模塊型plc可以滿足對葉片成型模具多路溫度的控制要求,在相關(guān)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
1引言
多線切割技術(shù)(MWS:Multi-Wire-Slicen)是進(jìn)行脆硬材料(如硅錠等)切割的一種創(chuàng)新性工藝。它是一種通過金屬絲的高速往復(fù)運(yùn)動,把磨料帶入半導(dǎo)體加工區(qū)域進(jìn)行研磨,將半導(dǎo)體等硬脆材料一次同時切割為數(shù)百片薄片的一種新型切割加工方法?;诟呔雀咚俚秃那懈羁刂脐P(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的高精度數(shù)控多線高速切割機(jī),可全面實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體材料及各種硬脆材料的高精度、高速度、低損耗切割,目前已逐漸取代了傳統(tǒng)的內(nèi)圓切割,成為硅片切割加工的主要方式。
多線切割技術(shù)可被用于切割脆硬材料,如硅錠等,此外也可用于分割難切削的材料。該工藝具有以下的優(yōu)點(diǎn):
(1)經(jīng)濟(jì)效益高,一次可切割幾百個晶片
(2)可切割直徑至300mm的硅錠
(3)晶體缺陷深度小
(4)幾何缺陷少(TTV,曲,偏差等)
(5)適合于分割硬脆或難以切削的材料
(6)損耗率低,分割誤差小
對于線切割機(jī)來說,主軸伺服和收、放卷軸間同步控制以及金屬絲線間的張力控制總是此類機(jī)械的控制關(guān)鍵點(diǎn)。歐姆龍NJ501型控制器,通過EtherCAT總線連接多套伺服,正是解決同步控制的最佳組合。
2多線切割機(jī)工作原理
線切割機(jī)主要由機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)和電源這三部分組成。數(shù)控系統(tǒng)由單片機(jī)、鍵盤、變頻檢測系統(tǒng)構(gòu)成,具有間隙補(bǔ)償、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、斷絲自動處理等主要功能。機(jī)床由床身、儲絲機(jī)構(gòu)、線架、XY工作臺、油箱等部件組成。繞在儲絲筒上的金屬絲經(jīng)過線架作高速往復(fù)運(yùn)動。加工工件固定在XY工作臺上。X、Y兩方向的運(yùn)動各由一臺步進(jìn)電機(jī)控制。數(shù)控系統(tǒng)每發(fā)出一個信號,步進(jìn)電機(jī)就走一步,并通過中間傳動機(jī)構(gòu)帶動兩方向的絲杠旋轉(zhuǎn),分別使得X、Y工作臺進(jìn)給。
多線切割機(jī)對于控制系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時性要求較高,為保證加工質(zhì)量,需要對切割過程中的鋼絲張力進(jìn)行控制。準(zhǔn)確控制張力值,減小張力的波動是多線切割機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),對于提高加工質(zhì)量及切割過程中不斷線以及提高設(shè)備的可靠性具有重要意義。在本項(xiàng)目中,采用歐姆龍NJ501型控制器,通過EtherCAT總線連接多套伺服進(jìn)行同步控制,有效地減少了張力的波動。
3基于NJ控制器的解決方案
3.1控制系統(tǒng)硬件解決方案
在本方案中,采用一臺SYSMACNJ機(jī)器控制器帶7軸伺服控制組成整個控制系統(tǒng),一臺主伺服帶動羅拉旋轉(zhuǎn)切割硅塊,兩臺伺服交替用于正反向的收放線控制,一臺伺服用于首先端排線(單排線機(jī)型),兩臺伺服控制收放線側(cè)張力并反饋擺桿位置偏差值,一臺伺服用于硅塊進(jìn)給,另外有包括溫度控制在內(nèi)的輔助控制。
SYSMACNJ系列機(jī)器控制器是歐姆龍最新推出的新一代機(jī)器自動化控制器,它無與倫比的高速性與可靠性并重,集運(yùn)動、邏輯、視覺控制于一體,擁有直線、圓弧等的插補(bǔ)動作功能和電子齒輪、電子齒輪的同步動作功能,通過電子齒輪FB實(shí)現(xiàn)同步以及張力調(diào)整,可執(zhí)行最小500μs的高速運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)4至64軸的運(yùn)動控制。尤其是內(nèi)置EtherNet/IP與EtherCAT主站,可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高速控制,SYSMACSTUDIO還有MC功能軸設(shè)定功能,使伺服軸設(shè)定非常簡單。而系統(tǒng)中采用的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)型伺服,其憑借業(yè)界最高等級的性能,可幫助用戶有效縮短生產(chǎn)節(jié)拍時間。
3.2主軸和收、放線軸之間的同步、張力控制
主旋轉(zhuǎn)軸設(shè)定為主軸,收、放線軸做從軸。首先建立從軸與主軸的基本電子齒輪比,使用MC_GearIN指令建立連接,再使用MC_MoveVelocity啟動主軸,以后PID微調(diào)的MV輸出可通過改變基本電子齒輪比實(shí)現(xiàn)對主,從軸之間的同步,張力控制。
3.3收線軸和排線軸之間的凸輪控制
收線軸為主軸,排線軸為從軸建立凸輪控制,完成收線輪排線。通過SYSMACSTUDIO凸輪編輯器(見圖4),能夠非常方便創(chuàng)建凸輪曲線,并且能非常方便的調(diào)節(jié)所創(chuàng)建凸輪點(diǎn)之間的距離,還可以選擇不同模式凸輪曲線類型來減少在運(yùn)動過程中的沖擊。并且主軸的方式有多種,可以是實(shí)軸,虛擬軸,編碼器軸,虛擬編碼器軸。滿足各種設(shè)備和應(yīng)用的需求。
4結(jié)束語
在本系統(tǒng)中,歐姆龍NJ501型控制器通過EtherCAT總線連接多套伺服,形成了解決同步控制的最佳組合。EtherCAT采用分布式時鐘機(jī)構(gòu),以100μs的刷新時間和不超過1μs的時基誤差保證各軸之間的同步,當(dāng)仁不讓地成為市場上最快的網(wǎng)絡(luò)。此外,NJ501的編程軟件SYSMACSTUDIO,通過簡單的設(shè)定,即可完成對控制器、網(wǎng)絡(luò)、伺服以及其他現(xiàn)場設(shè)備的配置,通過內(nèi)部功能塊即可完成復(fù)雜的運(yùn)動控制,并可利用先進(jìn)的順序和運(yùn)動控制功能在3D環(huán)境下預(yù)測試運(yùn)動軌跡,縮短了工程師在現(xiàn)場的反復(fù)調(diào)試時間,基于對變量的操作也大幅提高了生產(chǎn)性。