鈦合金異型材在線電加熱控制系統(tǒng)研制

張乃祿，張鎮(zhèn)海，宋 濤，王 偉

(1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065)(2.西安海聯(lián)石化科技有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

鈦合金異型材是重要的飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料，被廣泛用做翅翼、壁板、隔框等。在對鈦合金異型材進(jìn)行擠壓成形時，由于型材橫截面各處的金屬流動差異較大，最終使型材存在彎曲、扭曲等缺陷。鈦合金的彈性模量低、屈強(qiáng)比高[1]，必須進(jìn)行在線加熱張力矯直。鈦合金異型材的矯直加工溫度窗口很窄，而目前國內(nèi)鈦合金異型材矯直在線電加熱普遍采用晶閘管整流加熱電源和單點(diǎn)檢測控制[2-3]，難于滿足被矯直異型材加熱溫度控制精度高、溫度一致性好以及加熱速度快的要求。

針對鈦合金異型材100 t張力矯直機(jī)存在的加熱升溫慢及控溫精度差的問題，本研究采用光纖紅外兩點(diǎn)溫度檢測與控制技術(shù)，通過基于CAN總線的IGBT電源進(jìn)行加熱，并研制基于Fuzzy-PID算法的在線加熱控制系統(tǒng)，以期解決鈦合金異型材矯直過程中加熱溫度控制精度低與加熱速度慢的問題。

1 鈦合金異型材加熱特點(diǎn)及控制要求

鈦合金異型材100 t張力矯直機(jī)在線電加熱設(shè)備由拉伸頭裝置、扭擰頭裝置、加熱電源、光纖紅外測溫傳感器等組成，如圖1所示。其中，IGBT加熱電源由導(dǎo)電母排和水冷電纜連接到被矯直鈦合金異型材的兩端進(jìn)行電接觸加熱，當(dāng)加熱溫度達(dá)到矯直工藝溫度后，保持異型材溫度恒定，系統(tǒng)進(jìn)行拉伸、扭擰矯直。鈦合金異型材矯直拉伸、扭擰過程的溫度范圍很窄，要求溫度誤差不超過±8 ℃，型材均溫差不超過±20 ℃，單根型材加熱時間不超過5 min。

2 在線電加熱控制系統(tǒng)構(gòu)成

鈦合金異型材矯直在線電加熱控制系統(tǒng)由工業(yè)觸摸屏人機(jī)界面(HMI)、S7-300 PLC(可編程控制器)、智能儀表、光纖紅外測溫傳感器、IGBT加熱電源等構(gòu)成，如圖2所示。

圖1 矯直機(jī)在線加熱設(shè)備組成示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the compositon of the straightening machine online heating equipment

圖2 鈦合金異型材在線電加熱控制系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the composition of titanium alloy profiles online electrical heating control system

控制單元采用昆侖通態(tài)觸摸屏，利用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)，并配有以太網(wǎng)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)HMI與PLC連接，HMI可接受PLC采集的溫度信號，并可對加熱溫度等工藝參數(shù)實(shí)時設(shè)定與顯示。控制主機(jī)采用S7-300 PLC進(jìn)行溫度采集與過程控制，通過調(diào)節(jié)智能儀表的PID參數(shù)輸出4～20 mA電流控制加熱電源進(jìn)行加熱。

加熱電源單元通過8個IGBT直流電源模塊并聯(lián)匯流,實(shí)現(xiàn)輸出6.5 kA加熱電流，加熱電流經(jīng)導(dǎo)電母排和水冷電纜連接到鈦合金異型材進(jìn)行電加熱，其8個IGBT直流電源模塊采用CAN總線連接，并與智能儀表聯(lián)網(wǎng)控制。

溫度檢測單元采用2個非接觸的H-RB A/B 系列激光光纖型紅外溫度傳感器，并分別安裝在矯直機(jī)設(shè)備的拉伸頭裝置和扭擰頭裝置上，T1、T2兩點(diǎn)溫度的信號(4～20 mA模擬量信號)輸入到PLC模擬量輸入接口，對鈦合金異型材上兩點(diǎn)進(jìn)行溫度檢測與控制。

3 在線電加熱控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 加熱控制系統(tǒng)軟件組成

鈦合金異型材在線電加熱控制系統(tǒng)軟件采用組態(tài)軟件MCGS與西門子STEP7 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)控制應(yīng)用軟件由在線加熱檢測控制和上位監(jiān)控與人機(jī)界面組成，如圖3所示。

3.2 檢測與加熱控制程序設(shè)計(jì)

鈦合金異型材在線電加熱控制系統(tǒng)的檢測與加熱控制程序采用西門子Step7 V5.5軟件開發(fā)，在計(jì)算機(jī)上編程并下載到PLC中執(zhí)行。檢測與加熱控制程序流程如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)控制應(yīng)用軟件組成Fig. 3 The composition of control system application software

圖4 檢測與加熱控制程序流程Fig. 4 The control procedures of measuring and heating

在PLC執(zhí)行檢測與加熱控制程序時，先初始化，再判斷是否加熱。確定加熱操作后，對兩點(diǎn)溫度信號進(jìn)行采集并取平均值，接著判斷兩點(diǎn)溫度是否在要求范圍內(nèi)，如果溫度不滿足要求，通過主程序OB1的定時中斷子程序OB35來調(diào)用Fuzzy-PID子程序SFB41，對鈦合金異型材進(jìn)行電接觸加熱。

3.3 加熱溫度Fuzzy-PID控制程序設(shè)計(jì)

3.3.1 Fuzzy-PID控制策略

加熱溫度采用Fuzzy-PID控制。Fuzzy-PID控制算法原理如圖5所示。圖中，E和EC是溫差及溫差變化率模糊化后的模糊量，e和Δe是溫差及溫差變化率的精確值。

圖5 加熱控制系統(tǒng)策略圖Fig. 5 The strategy diagram of heating control system

鈦合金異型材在線電加熱溫度Fuzzy-PID控制策略整體采用兩輸入、三輸出的結(jié)構(gòu)，以設(shè)定的矯直溫度信號T0與異型材溫度信號T的差值及其變化率作為Fuzzy-PID控制器的輸入信號。異型材溫度在電加熱過程中不斷變化時，采用模糊推理對其變化趨勢進(jìn)行預(yù)判定，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀況實(shí)時調(diào)整PID控制的比例、積分、微分系數(shù)[4]，實(shí)現(xiàn)鈦合金異型材精確、快速的加熱控制。其中，矯直設(shè)定溫度T0通常取650～700 ℃。

3.3.2 Fuzzy-PID控制子程序

Fuzzy-PID控制子程序?qū)牲c(diǎn)溫度信號的平均值作為信號的輸入值，計(jì)算出E以及EC，并將其與模糊規(guī)則表比較，得到PID參數(shù)Kp、Ki、Kd的增量，從而得到當(dāng)前整定后的Kp、Ki、Kd參數(shù)，實(shí)現(xiàn)Fuzzy-PID控制[5]。Fuzzy-PID控制子程序流程圖如圖6所示。圖中，e(k)、r(k)、y(k)、e(k-1)分別為溫度信號頻率采樣后溫差信號、溫度輸入信號、溫度反饋信號、溫差前置信號的離散值。

圖6 Fuzzy-PID算法子程序流程Fig. 6 The subprogram process the Fuzzy-PID algorithm

3.4 上位監(jiān)控與人機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位監(jiān)控與人機(jī)界面采用昆侖通態(tài)組態(tài)軟件MCGS 7.7在Window XP上進(jìn)行開發(fā)，通過串口將程序下載到HMI上運(yùn)行，HMI與下位PLC通過以太網(wǎng)通訊，上位監(jiān)控與人機(jī)界面主要實(shí)現(xiàn)以下功能：①可實(shí)時顯示與設(shè)定加熱電壓、加熱電流等工藝參數(shù)，顯示和記錄工況、報警、曲線等；②控制流程與處理、存儲數(shù)據(jù)。上位監(jiān)控與人機(jī)界面設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7 上位監(jiān)控與人機(jī)界面設(shè)計(jì)流程Fig. 7 The designing process of upper monitoring and man-machine interface

4 溫度控制結(jié)果及分析

溫度控制系統(tǒng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)以L型TC4鈦合金異型材為例，其長度為5 m，橫截面積500 mm2，比熱容為750 J/(kg·℃)，密度為4.44×103kg/m3。在室溫(15 ℃)下進(jìn)行電加熱與控制，現(xiàn)場測試結(jié)果見表1。

采用Fuzzy-PID控制算法進(jìn)行鈦合金異型材加熱控制，并設(shè)定矯直溫度為650 ℃。從表1中可以看出，鈦合金異型材能夠在3 min內(nèi)達(dá)到設(shè)定的矯直溫度，加熱速度快，在溫度上升過程中型材溫度始終逼近目標(biāo)設(shè)定溫度值，兩點(diǎn)溫差在20 ℃以內(nèi)，最終矯直鈦合金異型材上測溫點(diǎn)T1、T2分別為650 ℃和648 ℃，確保異型材上不同兩測溫點(diǎn)間溫差不超過±20 ℃和溫度誤差不超過±8 ℃的控制要求，每根異型材加熱時間不超過3 min。經(jīng)過矯直，TC4鈦合金異型材的彎曲度控制在2 mm/m以內(nèi)。

表1 TC4鈦合金異型材加熱溫度現(xiàn)場測試結(jié)果

Table 1 The results of testing heating temperature of TC4 titanium alloy profile

5 結(jié) 論

(1)鈦合金異型材矯直機(jī)在線電加熱控制系統(tǒng)采用Fuzzy-PID控制算法，通過基于CAN總線的IGBT加熱電源調(diào)節(jié)矯直鈦合金異型材的溫度，在3 min內(nèi)從15 ℃加熱到設(shè)定的650 ℃，確保異型材上2個測溫點(diǎn)溫差在20 ℃之內(nèi)且溫度誤差不超過±8 ℃。

(2)該系統(tǒng)對鈦合金異型材加熱并矯直后，鈦合金異型材彎曲度可控制在2 mm/m以內(nèi)。

[1] 王曉波.鈦及鈦合金小規(guī)格棒材的熱矯直方法探討[J].冶金設(shè)備與技術(shù)改造,2015,21(2):54-56.

[2] 宋云濤,張乃祿,馬隴偉,等.鈦及鈦合金型材擠壓感應(yīng)加熱爐群控系統(tǒng)研制[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2017，34(1)：42-45.

[3] 劉增環(huán)，王利珍，何廣祥.加熱爐爐溫PLC模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].控制系統(tǒng)，2011(10)：27-30.

[4] Naranjo J E, González C, García R, et al. Lane-change fuzzy control in autonomous vehicles for the over taking maneuver[J].IEEE Intelligent Transportation Systems，2008，9(3)：435-450.

[5] Yamaguchi T，Shimizu K. Asymptotic stabilization by PID control: stability analysis based on minimum phase and high-gain feedback [J].Electrical Engineeringin Japan，2006，156(1)：44-53.