【正文】 展起來且目前在工業(yè)過程控制中依然是應(yīng)用最為廣泛的控制策略之一，這是因?yàn)?PID 控 制器結(jié)構(gòu)簡單，且綜合了關(guān)于系統(tǒng)過去、現(xiàn)在和未來三方面信息，對動(dòng)態(tài)過程無需太多的預(yù)先知識，魯棒性強(qiáng)，控制效果一般令人滿意，而且為廣大工程技術(shù)人員所熟知。在固化過程中，固化溫度較工藝要求溫度會出現(xiàn)一定程度的偏差，這是工藝過程中出現(xiàn)的必然狀況或控制過程不可避免的，然而自動(dòng)控制要保證這種偏差盡量小，失去平衡后要盡快恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。 在總體設(shè)計(jì)中初步確定控 制系統(tǒng)需要采集監(jiān)測的參數(shù)，并確定控制系統(tǒng)的大致控制和調(diào)節(jié)功能。加熱過程中，對象特性是時(shí)變的，且有很大的滯后，造成溫控難點(diǎn)，但溫度直接影響產(chǎn)品的品質(zhì)、產(chǎn)量，控制精度要求高。 發(fā)電機(jī)線圈加工所用的 熱壓機(jī)必須實(shí)現(xiàn)加熱加壓，而且加 熱加壓 溫度必須按照設(shè)計(jì)好的要求在各時(shí)間段內(nèi)逐漸升高，溫度變化過程直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。 整個(gè)設(shè)計(jì)通過對液壓原理、電氣原理以及 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)，可以保證控制精度的要求，達(dá)到生產(chǎn)實(shí)際 所需的工藝和質(zhì)量要求 。電氣部分要對液壓部分進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)，電，液一體化。 6 本課題首先 做總體設(shè)計(jì)，要實(shí)現(xiàn)熱壓機(jī)的設(shè)計(jì)得將其分成兩部分，液壓部分與 電氣部分。采用簡單 PID 控制算法對加熱過程中的快速加熱、中速加熱、保溫過程進(jìn)行控制。加熱過程中，對象特性是時(shí)變的，且有很大的滯后，造成溫控難點(diǎn)，但溫度直接影響發(fā)電機(jī)的品質(zhì)、產(chǎn)量，控制精度要求較高。 四、課題研究的內(nèi)容 發(fā)電機(jī) 作 為大型發(fā)電設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備，其 線圈 生產(chǎn)過程非常復(fù)雜， 對加工時(shí) 加溫定性過程要求嚴(yán)格，其加熱溫度的控制決定了發(fā)電機(jī)的性能、絕緣性、耐久性和穩(wěn)定性等性能。采用智能監(jiān)控系統(tǒng)能準(zhǔn)確地計(jì)算產(chǎn)品生產(chǎn)工時(shí)，并有效簡化工件成品和半成品的管理工作。 (4)生產(chǎn)效率高 ， 智能監(jiān)控系統(tǒng)使發(fā)電機(jī)線圈 熱壓 機(jī)床具有較高的自動(dòng)化程度 ，加工的整個(gè)過程都有系統(tǒng)自動(dòng)控制完成，工序比較集中，減小工人勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)使得生產(chǎn)效率明顯提高。 (3)加工精度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。 (2)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制。在發(fā)電機(jī)線圈 熱壓 機(jī)床上進(jìn)行產(chǎn)品加工，當(dāng)線圈 的型號改變時(shí) ,僅僅需要改變部分系統(tǒng)參數(shù)就能適應(yīng)新產(chǎn)品的生產(chǎn)需要，而不需要改變整體機(jī)械部分和控制部分的硬件，而且生產(chǎn)過程是自動(dòng)完成 的。 三、 課題研究的目標(biāo) 本次課題的研究目標(biāo)是 在 發(fā)電機(jī)線圈 熱壓機(jī)床 的 加熱加壓的控制系統(tǒng)中應(yīng)用智能監(jiān)控系統(tǒng)和 PLC控制技術(shù) ， 使整個(gè) 熱壓機(jī)的性能得到極大 提高 ，并 使生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的加工質(zhì)量有 所提高 。目前，瑞士 Von Rou Isola公司作為國際電機(jī)與發(fā)電機(jī)生產(chǎn)的大企業(yè)，已實(shí)現(xiàn) 5 熱壓線圈的自動(dòng)加熱加壓與保持，但國內(nèi)對于此種工藝的研究報(bào)導(dǎo)的很少。首先，成型線圈的形成要經(jīng)過線圈的繞制、張形、成形、熱壓固化等一系列工序 ，各道工 序之間密切聯(lián)系，互相制約，相互影響，要想獲得符合工藝要求的成型線圈，必須考慮其它幾道工序，特別是繞制線圈的截面尺寸和直線度，這更為研制熱壓型機(jī)增加了難度。 這些成型設(shè)備的研制成功，標(biāo)志著我國在中型電機(jī)成型線圈熱壓型設(shè)備的制造工藝技術(shù)方面已取得一定的進(jìn)展，這無疑為研制科學(xué)化、現(xiàn)代化的電機(jī)成型線圈熱壓型設(shè)備注入了新的催化劑。當(dāng)加熱時(shí)間或溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)報(bào)警，提示工作人員裝、卸線圈。 集美大學(xué)劉麗莉等人 [10]主要是借鑒發(fā)達(dá)國家的制造工藝，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的結(jié)果。該設(shè)備采用汽缸拉緊壓桿，能夠保證夾緊力大小。但加壓裝置中上工作臺與活塞，下工作臺與床身之間熱量損失較多，致使活塞桿密封處的膠圈過早老化，而且局部會產(chǎn)生一定的溫差。該設(shè)備集機(jī)、電、液壓一體化，主要由加熱裝置和加壓裝置兩部分組成，采用由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的上壓缸和側(cè)壓缸同時(shí)對線圈進(jìn)行壓制，兩個(gè)方向的壓力分別可調(diào)，保證了不同尺寸的線圈壓力的需要。我國研究設(shè)計(jì)制造的成型線圈熱壓型設(shè)備。 可以期待隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，制造成型線圈的各種新型的高效的現(xiàn)代化設(shè) 備行將問世。常州牽引電機(jī)廠 [9]研制的冷、熱壓模設(shè)備采用汽壓裝置加壓，這種裝置雖然也有液壓系統(tǒng)的一些優(yōu)點(diǎn)，但由于其沖擊力，噪音大等缺陷，限制了它的廣泛應(yīng)用。它是用液壓油作為工作介質(zhì)，通過液壓元件和管道來傳遞動(dòng)力和控制某些動(dòng)作。 按成型線圈熱壓設(shè)備的加壓方式分，有采用汽壓裝置、液壓裝置以及杠桿原理來實(shí)現(xiàn)的。多數(shù)中型電機(jī)成型線圈熱壓設(shè)備中都采用電加熱管加熱，因?yàn)槠浼訜峋鶆颍鼙ＷC電樞線圈的加工質(zhì)量。佳木斯電機(jī)廠[2]采用遠(yuǎn)紅外線加熱管。蒸汽加熱板是利用水汽管系統(tǒng)中的蒸汽作為轉(zhuǎn)子線圈加熱的熱源。圈式定子線圈油壓機(jī)中采用晶閘管溫度自動(dòng)控制電熱模 。油壓力在 4000kN或者更大的都采用下壓式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是油缸及活動(dòng)橫梁在油壓機(jī)的下方，而活動(dòng)橫梁是從下往上壓制。 按結(jié)構(gòu)分，中型電機(jī)成型線圈的熱壓型設(shè)備分為上壓式和下壓式。另一類用于制造轉(zhuǎn)子成型線圈，如發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈多頭油壓機(jī)，該設(shè)備的最大特點(diǎn)是用蒸汽加熱板對轉(zhuǎn)子線圈加熱。 電機(jī)成型線圈熱壓型裝備的種類 制造中型電機(jī)各種線圈所使用的設(shè)備，大部分是一些專用的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，在這些設(shè)備上安裝一種或者數(shù)種工裝和模具，可以對原材料或半成品按工藝技術(shù)要求進(jìn)行加工，達(dá)到所需要的形狀尺寸，制造出電氣性能優(yōu)良和機(jī)械性能較高的各 類成型線圈。 隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展 和工業(yè)自動(dòng)化愈來愈高的需求 ,可編程控制技術(shù)得到了飛速的發(fā)展 ,其技術(shù)和產(chǎn)品日趨完善。 2021年 PLC的銷售額在控制市場份額中超過 50%[6]。在 2021年發(fā)運(yùn)的 PLC中 ,按最終用戶分 :汽車占 23% ,糧食加工占 %,化學(xué)藥品占 % ,金屬、礦山占 %,紙漿、造紙占 % ,其他占 %。 目前 ,全世界約有 PLC生產(chǎn)廠家約 200家 ,生產(chǎn) 300 多個(gè)品種。目前國外 PLC應(yīng)用于自動(dòng)控制這一領(lǐng)域占 60%,應(yīng)用于數(shù)據(jù)管理占 20%,用于生產(chǎn)管理占 18% ,用于人機(jī)接口占 22%。 根據(jù)國外資料統(tǒng)計(jì) ,在工業(yè)控制中 80%都采用 PLC來完成。在沒有跳轉(zhuǎn)指令的情況下 , CPU 從第一條指令開始 ,順序逐條的執(zhí)行用戶程序 ,直到用戶程序結(jié)束 ,然后 ,程序返回第一條指令開始新的一輪掃描。 PLC的用戶程序由若干條指令組成 ,指令在存儲器中按步序號順序排列。 PLC的 CPU是以分時(shí)操作的方式處理各項(xiàng)任務(wù)的。 (2)逐條讀入后解釋用戶程序 ,產(chǎn)生相應(yīng)控制信號去控制相關(guān)電路 ,完成數(shù)據(jù)存取、傳送和處理工作 ,并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果更新各個(gè)相關(guān)寄存器內(nèi)容?？删幊踢壿嬁刂破饔?CPU(中央處理單元 )、存儲器、輸入輸出模塊、可編程器和電源五大部分組成 。 在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中 ,可編程邏輯控制器起著核心作用。 (3)控制功能極強(qiáng) :除基本的邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算等功能外 ,還可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制、 PID控制、過程控制、數(shù)字控制等功能 ,還可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。它是一種以微處理器為核心 ,綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、電器控制技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)而發(fā)展起來的一種新型、通用的自動(dòng)控制裝置 ,具有如下特點(diǎn) [4]: (1)高可靠性 :如三菱、西門子、歐姆龍的 PLC產(chǎn)品 ,平均無故障時(shí)間大大超出 IEC規(guī)定的 10萬小時(shí) ,并可采用多機(jī)冗余系統(tǒng) ,進(jìn)一步提高可靠性。 工業(yè)控制計(jì)算機(jī) (簡稱工控機(jī) )是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置 ,目前已成為工業(yè)控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備 ,被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè) ,工控機(jī)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化的最佳配套產(chǎn)品 ,而工業(yè)可編程序控制器 (PLC)則在工控領(lǐng)域中占有主要的地位。 機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)控制對象是機(jī)械，現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)常常融合在一起，構(gòu)成“機(jī)電一體化系統(tǒng)” [3]。 二、 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 國 內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 所謂自動(dòng)控制，指的是在沒有人直接參與的情況下，利用控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制機(jī)器設(shè)備或生產(chǎn)過程的工作狀態(tài)，使之保持不變或按預(yù)定的規(guī)律變化這樣一種現(xiàn)象。為用戶提供生產(chǎn)狀況的總體認(rèn)識。在現(xiàn)場實(shí)時(shí)采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，能夠?yàn)檐囬g管理者統(tǒng)計(jì)設(shè)備的產(chǎn)能，同時(shí)可為車間技術(shù)人員完成有關(guān)的信息的統(tǒng)計(jì)有很大的幫助。 這不僅依賴于成型線圈熱壓型設(shè)備精密緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 和 現(xiàn)代化的制造工藝 ， 采用先進(jìn)的、 精確的控制技術(shù) 更是起到舉足輕重的作用 。 因此 ， 迫切需要研制新一代效率高的專用設(shè)備即熱壓 機(jī) 床 來完成壓制線圈的任務(wù) ， 國內(nèi)在成型線圈熱壓型設(shè)備的研制方面已取得了初步成效 ， 并已形成一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模 。此外 ， 對每一種規(guī)格型號的線圈都需制備 、 更換和使用相應(yīng)的一種壓鐵 ， 不僅浪費(fèi)材料 ，又極大地制約了生產(chǎn)的發(fā)展 。 1 實(shí)習(xí) (調(diào)研 )報(bào)告 一、 課題的來源及意義 發(fā)電 機(jī)的生產(chǎn)歷史已很悠久 ， 工藝基本定型 ， 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ， 大多數(shù)工藝已基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和自動(dòng)化 [1]。 但是 ， 在電機(jī)生產(chǎn)過程中 ， 線圈熱壓成型工藝迄今為止仍是手工操作 ， 工人的勞動(dòng)強(qiáng)度 大 、 生產(chǎn)效率較低 ， 產(chǎn)品質(zhì)量不能得到很好的保證 。 如何確保發(fā)電機(jī) 線圈的各部分尺寸滿足成型線圈的設(shè)計(jì)要求 ， 提高下線的工藝水平及縮小同國際發(fā)達(dá)國家在成型線圈制造工藝水平上的差距 ， 已成為中型電機(jī)成 型線圈制造新技術(shù)的工作目標(biāo) 。 要滿足對成型線圈的設(shè)計(jì)與工藝要求 ,依據(jù)經(jīng)繞制后的 發(fā)電機(jī) 線圈的直線度和線圈截面尺寸 ,是設(shè)計(jì)和制造中型電機(jī)成型線圈熱壓型設(shè)備所普遍遵循的原則 .而經(jīng)過熱壓固化后的線圈的截面尺寸是成型的關(guān)鍵 [2]。 為確保發(fā)電機(jī)線圈 的各部尺寸 滿足線圈的設(shè)計(jì)要求，提高下線的工藝水平， 因 而 開發(fā)適合的發(fā)電機(jī)線圈 熱壓機(jī)床加熱加壓 智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)反映設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)，對提高設(shè)備生產(chǎn)效率，保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行具有非常重大的意義?？梢詾楣芾碚咛峁┥a(chǎn)設(shè)備以及質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和趨勢圖。智能監(jiān)控系統(tǒng)的建立 ,能夠有效的提高企業(yè)競爭力，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的同時(shí)為生產(chǎn)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。自動(dòng)控制系統(tǒng)是由一些機(jī)電元件或裝置以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制為目標(biāo)而按照一定的方式和內(nèi)容連續(xù)組合而成的一個(gè)整體。 而提到機(jī)械自動(dòng)控制一定離不開工控計(jì)算機(jī)。 2 PLC( Programmable Logic Controller),是可編程邏輯控制器的縮寫。 (2)編程方便、易于使用 :梯形圖語言、 SFC、功能塊等多種編程語言和方式 ,直觀易懂 ,易于上手。 (4)擴(kuò)展機(jī)與外部連接極為方便 :各個(gè)受控設(shè)備可通過 PLC網(wǎng)絡(luò)模塊連接在一起 ,實(shí)現(xiàn)有效信息資源的共享于交換?？删幊踢壿嬁刂破饔?1969年在美國面世 ,經(jīng)過 30多年的發(fā)展 ,現(xiàn)在已成為最重要、最可靠、應(yīng)用場合最廣泛的工業(yè)控制微型計(jì)算 機(jī)。 它的 CPU采取掃描方式工作 ,每一次掃描完成以下工 作 [5] : (1)將現(xiàn)場的開關(guān)量輸入信號和數(shù)據(jù)分別讀入輸入映像寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。 (3)將輸出映像寄存器的內(nèi)容送給輸出模塊 ,去控制外部負(fù)載。由于運(yùn)算速度高 ,從 PLC的外部輸入、輸 出關(guān)系來看 ,處理過程幾乎是瞬時(shí)完成的。用戶程序采取掃描工作方式運(yùn)行。 PLC就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)上 述 的掃描循環(huán) ,達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目的。因?yàn)轫樞蚩刂剖枪た夭豢扇鄙俚囊画h(huán) ,幾乎任何一個(gè)過程控制和生產(chǎn)管理都是有步驟地進(jìn)行的 ,因此都可以采用PLC?？梢妼τ诠た貋碚f PLC占主導(dǎo)地位 ,而數(shù)據(jù)處理、生產(chǎn)管理等目前計(jì)算機(jī)仍是主體。全球 PLC發(fā)運(yùn)件數(shù) 1998 年為 1456萬件 ,1999年為 1620萬件 , 2021年達(dá)到 1778萬件。而且隨著 PLC與 IPC、 DCS集成 ,PLC逐漸成為占自動(dòng)化裝置及過程控制系統(tǒng)最大市場份額的產(chǎn)品。 3 在全球 PLC制造商中 ,根據(jù)美國 Automation Research Corp(ARC)調(diào)查 ,世界 PLC領(lǐng)導(dǎo)廠家的五霸為 Siemens(西門子 )公司、 AllenBradley(AB)公司、 Schneider(施耐德 )公司、Mitsubishi(三菱 )公司和 Omron(歐姆龍 )公司 ,他們的銷售額約占全球總銷售額的三分之二 [7]。僅僅將 PLC理解為開關(guān)量控制的時(shí)代已經(jīng)過去 , PLC不僅以其良好的性能滿足了工業(yè)生產(chǎn)的廣泛需要 ,而且將通信技術(shù)和信息處理技術(shù)融為一體 ,其功能也日趨完善。 中型電機(jī)成型線圈的熱壓型設(shè)備種類很多 [8]，現(xiàn)分述如下： 按用途來分，主要有兩大類：一類用于制造定子成型線圈，如圈式定子線圈油壓機(jī)，這類設(shè)備的主要特點(diǎn)是采用液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對定子線圈的加壓。還有制造磁極成型線圈的立式四柱油壓機(jī)，有 100t， 250t， 400t油壓機(jī)多種規(guī)格。上壓式結(jié)構(gòu)其公稱壓力在 4000kN以下，主要特點(diǎn)是油缸及活動(dòng)橫梁 在油壓機(jī)的上方，活動(dòng)橫梁從上往下壓制。 按成型線圈熱壓設(shè)備的加熱方式分，有遠(yuǎn)紅外線加熱管、電加熱管、電加熱絲、晶閘管溫度自動(dòng)控制電熱模及 蒸汽加熱板等。這種裝置能自動(dòng)控制壓鐵所需的溫度，而且具有控制精度高，壽命長，無噪聲等優(yōu)點(diǎn)。這種加熱方式比較簡單， ～ 1Mpa的蒸汽，就可使加熱板溫度達(dá) 到 160℃左右。 對熱壓型機(jī)進(jìn)行加熱，加熱溫度可隨意調(diào)整，并且能夠自動(dòng)顯示。而電熱絲加熱方式由于其極易燒斷，而且維修時(shí)須將模具打開拆卸，耗時(shí)費(fèi)力，因而應(yīng)用不是很廣泛 [9]。大多數(shù)熱壓型設(shè)備都采用液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對成型線圈的壓制。液壓傳動(dòng) 具有傳動(dòng)平穩(wěn)，單 4 位重量的輸出功率大，結(jié)構(gòu)緊湊，慣性小，承載能力大，能方便有效地進(jìn)行無級調(diào)速，而且調(diào)速范圍大，控制和調(diào)節(jié)簡單、方便、省力，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)用杠桿原理來壓制成型線圈，由于壓緊力的大小不易調(diào)整，承載能力有限，結(jié)構(gòu)比較龐大，而且傳動(dòng)不平穩(wěn)等，故這種加壓方式的應(yīng)用也受到了制約。 我國在中型電機(jī)成型線圈的制造工藝技術(shù)研究方面起步較晚，尤其是在成型線圈熱壓型設(shè)備的研制方面，受材料制造技術(shù)和相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)水平的牽制程度還很大。 佳木斯電機(jī)廠 [2]