风电叶片模具型腔水加热系统及其智能化控制

王红+张彩英

摘要：由于风电叶片基质材料的特殊性，因此对其固化过程的温度变量有严格的要求。传统的叶片表面电阻丝固化加热方式具有动态性能差，跟踪性能低和大滞后等缺点，极易造成叶片基材失效。针对该问题，本文设计了一种基于Bang-Bang算法和模糊控制理论的叶片模具型腔水加热系统，该系统以叶片模具型腔水温为控制指标，以水温偏差和水温偏差变化率为输入，以用来控制加热器可控硅导通角的标准模拟量信号为输出。实际应用结果表明，该系统具有跟踪性强，静态性能稳定和鲁棒性好等特性，极大的提高了叶片生产过程的工艺水平。

关键词：风电叶片；自适应；bang-bang算法；模糊控制；水温恒定

0 引言

随着国家新能源战略的提出，风电行业得以迅猛发展。风电叶片是风力发电机组的核心部件之一，制造成本占风力发电机组总成本的20%-30%，其性能的优劣对整个系统的影响很大。固化阶段的温度精确程度将直接影响叶片的材料性能。如果叶片固化温度过低将造成胶粘剂失效，而温度过高将造成叶片基材灼伤。

基于上述现状，本文设计了一种风电叶片型腔模具水加热系统，并构建了一种基于Bang-Bang算法和自适应模糊理论的控制器，旨在提高叶片模具加热系统的稳态特性和动态特征。最后，将该套系统成功应用于连云港中复连众风电叶片生产车间生产线，并进行了数据分析。

1 风电叶片模具型腔水加热系统

1.1 系统硬件组成及工作过程

叶片模具水加热系统主要由功率可调水加热器（内部含有可控硅移相触发板和可控硅等）、西门子PLC控制器、触摸屏和计算机数据终端组成。基本工作过程：高效散热管呈网状贯通于模具型腔内部，经加热器加热的水，在散热管内高速循环流动。温度经安装在叶片模具根部10米位置的传感器反馈至控制系统，控制系统通过发出电压模拟信号控制加热器可控硅移相触发板，改变加热器可控硅的导通角，来达到实时调节模具型腔水温的作用。通过控制器与触摸屏通讯来实现数据显示和人机交互，触摸屏通过Ethernet将数据传送至计算机数据终端，实现数据的网络信息化。

1.2系统的多级网络结构

叶片模具型腔水加热系统采用了拓扑型的多级网络结构。现场PLC控制器与触摸屏之间通过PPI协议进行通信，波特率为38400bit/s，其中触摸屏设定为主站，PLC控制器设定为从站，通讯效率可远远满足系统的控制精度要求。由于采集数据时间长，数量大，并且一个车间内可能有多套叶片生产线，因此触摸屏通过Eternet通信与总控制室计算机数据终端通信，组成一个局域网，由计算机数据终端将数据存储于Acess数据库中，并将数据实现全网共享。

2 数字智能化控制器设计

2.1 一般控制原理

在工业控制中，数字PID控制是一种发展成熟、性能稳定和应用广泛的控制算法。风电叶片模具型腔水加热系统的控制就是基于数字PID控制原理。

这种控制器的原理简单，应用方便，但是缺点也很明显，主要有以下两个方面：

（1）调节周期较长。

（2）需要有准确的数学模型。

2.2 大范围内的bang-bang算法

定义两个温度控制点：TLOW和THIGH。TLOW表示温度的控制低点，其值为温度设定值减20；THIGH表示温度的控制高点，其值为温度设定值加5。如果温度高于THIGH，则控制器直接关闭加热器电源，避免由于过高温导致叶片灼伤；如果温度低于TLOW，则控制器打开加热器电源，并且加热器可控硅导通角为最大，使加热器能够全功率工作。THIGH与TLOW之差称为滞后，在滞后阶段，温度的控制由模糊PID控制完成。

3 现场应用与结果分析

3.1 现场应用

连云港中复连众是国内叶片生产的领军企业，其叶片生产数量在行业内占有率已达30%以上。将该系统应用于其三分厂22号生产线，并进行叶片制造過程的后固化温度控制。该生产线的叶片型号为aeroblade10—62.3，其生产的叶片的设计功率为10MW，长度为62.3米，属于中大型叶片。

3.2结果分析

为了分别分析控制系统在大温差范围和小温差范围的控制特性，并且由于设定温度为76℃，因此取水温变化的23℃--50℃阶段和73℃--76℃阶段作分析。

在大温差时，系统会以恒功率对水温进行加热，效率较高，大约只需要2小时即可完成升温过程。在温度上升过程中，升温速度会有逐渐变慢的趋势，这是由于水温加热是通过热传导进行的。随着叶片温度的上升，水与叶片之间的温差逐渐变小，导致了热传导效率降低。另外，在温度上升的过程中，温度会有上下起伏现象，原因是由于叶片胶质的固化是一个放热的过程，这将导致产生反向散热，这也从另一方面体现了水加热的一个好处：不但能放热，在某些情况下还可以吸热，保证了叶片温度的稳定性。

采用自适应模糊控制的加热器，在起始加热阶段，由于温差仍然较大，因而控制器的输出依然很大，加热器保持较高效率，温度能够稳步上升；到达设定温度后，加热有明显减速的过程，同时，根据温度起伏的大小，控制器实时改变加热器功率，使温度保持基本恒定；在恒温保持方面，温度控制趋于平稳，误差在1℃左右，符合叶片固化过程的工艺要求。

4 创新与结论

基于Bang-Bang算法和自适应模糊控制算法，构建了一套风电叶片型腔模具水加热控制系统，并将其在兆瓦级风电叶片的生产线上成功应用，这在国内叶片生产行业尚属首次，彻底改变了以往的固化加热方式。通过实际应用得到如下结论：

1）将Bang-Bang算法应用于温度偏差的大范围控制，极大地提高叶片固化过程的升温效率；

2）将自适应模糊控制理论应用；于风电叶片的生产制造过程，保证了整个加热过程的稳定性，提高了叶片的材料性能，缩短了叶片生产周期，降低了叶片的生产成本；

3）通过水加热代替电热丝加热，极大的提高了叶片生产的安全性，为改进叶片的固化加热方式，提供了一个新的方向，有助于叶片行业的发展。

参考文献：

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作者简介

王红（1979），讲师，研究方向：模具设计与加工.