摘要：微流控芯片、微透镜阵列等高附加值产品批量化生产依赖热压印设备，但传统热压印设备加热效率及控制精度较低，较难满足快速精密生产需求。提出采用气流和加热棒一起加热的方法提高加热效率，并基于PID级联控制原理设计气流辅助热压印设备的自动化控制系统。首先，采用SolidWorks建立气流辅助热压印设备三维模型；然后，采用TIA portal软件设计自动控制系统；最后，创建WinCC组态监控工程，搭建实物设备，研究气流辅助热压印设备及自动控制系统性能。实验结果表明：采用气、固双热源加热方法的加热效率比单一热源提高50%~70%；利用PID级联控制方式调控温度参数的响应速度快，抗干扰能力强；通过组态系统可以实时监控热压温度、热压压力、保压时间等工艺参数；在68 s内实现了微透镜阵列产品快速精密微成型。

　　关键词：西门子PLC；热压印；PID级联控制；自动化控制系统

　　0引言

　　热压印设备广泛应用于橡胶、聚合物、低熔点玻璃等材料的批量化成型制造。传统热压机主要用来成型轮胎、鞋垫、板材等控制精度要求较低的工业领域。微光学产品、微流控芯片等精密产品在激光雷达、照明显示、生物医学等领域有广泛的应用前景。这些精密产品对加工精度及加工效率要求较高，目前传统热压设备较难满足其批量化生产要求。因此需要进一步设计气流辅助热压印设备，开发控制精度高、响应速度快、能快速调节工艺参数的自动化控制系统。

　　可编程逻辑控制器（PLC）具有很强的逻辑控制功能，可以通过PLC内部指令自动控制加工过程[7]。采用PLC控制技术可以显著提高生产效率、降低人工成本。西门子PLC由于其高可靠性，被广泛应用于工业各领域。采用西门子基本编程指令，可以实现对热压工艺参数中热压压力、热压时间参数的快速自动调节。但现有热压印设备只有单一热源，加热效率较低，并且加热过程受加工材料及模芯热传导系数、材料比热容等因素影响，调节速度慢、控制精度较低。

　　PID控制技术具有结构简单、参数调节方便、稳定性好的优点，在温度控制、电机控制、无人机控制等领域有广泛的应用。采用PID控制方法控制热压机热板的温度，其温控精度可以控制在±2℃内，但温度调节时间需要30 min左右。普通PID控制虽然控制精度较高，但是响应速度较慢，抗干扰能力较差。

　　因此，为了提高抗干扰能力及响应速度，众多学者开始改进PID算法。吕等[16]采用改进型模糊神经网络智能PID控制器在线实时调整控制参数，可以提高系统的响应性。彭等结合BP神经网络、模糊控制和PID算法改善了无刷直流电机的稳定性。利用自整定PID控制方法控制大面积建筑室内温度，提高了系统响应速度。采用PID级联控制方法，较好地提高了锅炉温度控制的响应速度及抗干扰能力[19]。目前传统热压设备通常采用单级PID控制方法控制热压温度，PID级联控制及双热源协同控制相关研究较少。

　　本文提出采用气流、加热棒气固双热源加热方法提高加热效率，并基于PID级联控制原理，设计气流辅助热压印设备的自动化控制系统。首先，采用SolidWorks建立气流辅助热压印设备三维模型；然后，设计气流辅助热压印设备的控制方案，采用TIA portal软件编写自动控制程序；最后，创建WinCC组态监控工程，进行设备及自动控制系统性能测试。

　　1气流辅助热压印设备结构设计

　　图1所示为气流辅助热压印微成型设备结构。本文采用SolidWorks软件建立三维模型，整体设计为四立柱三支撑板结构，上支撑板下方安装压力传感器及上压台，中间支撑板安装模芯支架、模芯等结构，下支撑板上方安装电动机及其推杆。因为微成型精密元器件负载要求较小，因此采用电动推杆推动中间支撑板相对上模板运动，实现模芯的合模、分模。合模时，放置在模芯上方的工件与上压台接触，工件下表面微成型出模芯上表面的微结构。微成型过程中的热压压力利用压力传感器检测。

　　加热方式采用双热源（气流、加热棒）一起加热和冷却模芯和工件。气源装置产生温控气流，在加热工件阶段产生600℃左右的高温气流，在冷却工件阶段产生20℃的低温气流。气流经由导气管导向模芯下方，加热或冷却模芯及工件。此外，在模芯周围设计加热棒，用于加热模芯及工件。在气源装置内设置温度传感器，用于检测气体的温度。模芯及工件交界面安装有贴片式热电偶传感器，用于检查工件温度。

　　2热压印设备自动控制原理

　　2.1 PID级联控制热压印设备温度原理

　　PID控制表示比例Proportional（P）、积分Integral（I）、微分Derivative（D）控制，他们分别表示控制器的输出信号u(t)与输入误差e(t)、输入误差信号的积分和微分成正比例关系。如下所示：

　　式中：Kp为比例系数；Ti为积分时间；Td为微分时间。

　　图2所示为气流辅助热压印设备的PID级联控制系统结构原理图。它由内环控制系统PID2和外环控制系统PID1组成。外环系统的主控对象是工件，输出量是工件温度。内环系统的主控对象是气流温控器，输出量是气流温度。

　　级联控制系统外环是恒温控制系统。其控制原理：在主控制器中设置工件温度的目标值，并利用温度传感器检测工件温度，比较温度设定值与温度传感器检测工件的实时温度的差值e1，通过控制加热棒和高温气流共同加热工件，直到工件实时温度达到设定温度。

　　内环是一个随动系统。PID主控制器的输出值也为副控制器的设定值，该温度设定值与温度传感器检测气流的实际温度进行比较，副控制器根据比较后的差值e2控制气源装置加热或冷却。副控制器调控过程中的扰动因素d2为气流流量、流速、对流传热等因素，主控制器调控过程中的扰动因素d1为模芯材料、工件材料等因素。副控制器控制的气流温度和扰动因素d1决定主控对象工件的加热程度。

　　2.2热压印过程的控制原理框图

　　图3所示为热压印过程的控制原理框图。该控制系统采用西门子WinCC设计监控工程，监控热压印微成型的工艺参数。采用西门子PLC S7-1200作为控制器，其与上位机的通信采用EtherNet/IP通信方式，接受上位机触摸屏监控。同时采用西门子TIA Portal V15软件编写控制程序，控制热压印设备自动运行。

　　热压印设备的控制系统主要包括温度控制系统、压力控制系统。在温度控制系统中，采用半闭环控制方式，执行元件为气源装置和加热棒，最终检测对象为工件温度。首先，采用热电偶温度传感器检测工件温度，然后通过温度变送器，将被测工程量转换为4~20 mA的标准模拟量信号，通过A/D转换模块将模拟量转变为PLC可逻辑处理的数字量，利用PLC基本指令控制加热棒运行，再采用PID级联控制器输出控制信号控制气源装置加热或冷却工件，实现气固耦合协同控制。

　　压力控制过程中的执行元件是电动推杆，电动推杆向上运动则模具合模压力增大，向下运动则模具脱模压力减小。安装在上模板的压力传感器检测工件受到的压力信号，压力变送器将压力信号转变为标准模拟信号，然后通过A/D转换模块将模拟量转变为数字量，最后利用PLC的比较指令控制工件压力维持在设定值。

　　自动控制系统主要元器件硬件选型及作用如表1所示。

　　3热压印设备自动化控制系统设计

　　3.1自动控制流程

　　图4所示为热压机自动控制系统流程。初始位置定义为推杆伸展的长度为0，此时模芯与上压台相距最远为200 mm；气流加温位置定义为模芯与上压台相距50 mm的位置。第1步，系统处于初始位置时，将工件放置在模芯上方，按下启动按钮初始化系统，然后设置热压温度、热压压力等目标值。第2步，选择手动运行或者自动运行模式，让电动机顺时针转动，带动推杆向上运行，同时启动加热棒，加温预热模芯及工件。第3步，到达气流加温位置后，启动气源装置，利用PID级联控制方法控制高温气流运行，直到工件温度达到设定值。第4步，控制推杆继续上行，直到压力达到设定值。第5步，设置保温保压的时间，开始保温保压计时。第6步，保压时间到后，电动推杆下行，同时利用PID级联控制方法启动低温气流，冷却工件。第7步，工件达到设定值，且模芯达到初始位置时，取下工件，等待下一个循环。

　　3.2模数转换原理

　　由于PLC只能处理数字信号，因此需要进行信号转换。本文采用温度传感器采集温度范围：0~200℃,采用压力传感器采集压力范围：0~9 800 N，此时传感器输出信号为不标准的电流信号，因此进一步采用变送器将不标准的电流信号转换为4~20 mA的标准电流信号，然后利用模拟量输入模块中A/D转换电路转换为数字量信号0~27 648。

　　表2所示为PLC内部数字量与工程量、模拟量间的对应关系。当压力传感器、温度传感器检测值为零时，电流信号为4 mA，PLC内部数字量信号为0；如果温度或压力传感器达到满量程时，电流信号为20 mA，PLC内部数字量信号为27 648。

　　3.3 I/O地址分配

　　根据热压机控制要求及系统流程图，确定PLC的I/O地址的分配表，如表3所示。

　　3.4 PLC主要程序段设计

　　3.4.1模拟量转换为工程量程序设计

　　图5所示为模拟量转换为工程量程序设计。采用IW96、IW100通道采集温度、实际压力模拟量时，模拟量输入模块的A/D转换电路会将模拟量转换成PLC可逻辑运算的数字量（表2）。由于数字量不方便设备使用者理解，因此采用标准（NORM_X）和缩放（SCALE_X）指令，把数字量转换为工程量，再输出控制温控装置及压力装置。如图5（a）所示，首先，在FB块内调用标准化指令（NORM_X），按照数字量0-27648线性缩放成0-1的原则，对实时采集的模拟量进行标准化标定。然后，通过缩放（SCALE_X）指令，根据传感器检测的压力、温度工程值范围，将该模拟量标准化值转换为实际工程值。本文温度工程量下限、上限分别为0和200℃。压力工程量下限、上限分别为0和9 800 Pa。最后，在主程序中调用检测压力和温度的FB块（图5（b））。

　　3.4.2温度PID级联控制程序设计

　　S7-1200 PLC中的PID控制器功能主要通过3部分实现：循环中断组织块（Cyclic interrupt）、PID指令块和工艺对象背景数据块。循环中断组织块按特定周期产生中断，执行组织块内的程序。本文在中断组织块内部编写PID级联控制程序，设置PID指令工艺参数。在设置工艺对象中控制器主站时，输入点设置为Input_PER（模拟量），输出设置为Outputheat。在工艺对象中设置从站时，输入点同样设置为Input_PER（模拟量），输出项同时设置Outputheat_PWM和OutputCool_PWM。此外，还需要设置PID控制方程中相关参数，如式（1）所示。本文中主控制器及从控制器中加热PID参数设置为比例增益1，积分作用时间设置为20 s，微分作用时间0 s。主控制器制冷不设置参数，从控制器的制冷系数设置为加热系数的0.8倍。

　　图6表示PID级联温度控制程序段。PID_Temp_ 1为PID主控制器指令，温度设定值通过管脚Setpoint在DB6.DBD12中设置，实际检测温度通过模拟量通道0的IW96地址输入，输出管脚Outputheat的地址设置为MD100，是主控制器的输出值，同时也是从控制器的输入值。PID_Temp_2为PID从控制器指令，从控制器的实际检测温度通过模拟量通道1的IW98地址输入，输出管脚Out⁃putheat_PWM的设置地址为M61.0，OutputCool_PWM的设置地址为M60.0，都通过PWM脉宽调制模式控制加热和冷却。此外，从控制器接受主控制器控制，因此主、从控制器的Slave管脚都设置为“PID_Temp_ 1”.Slave.

　　3.4.3温控输出程序设计

　　图7所示为高温气流及加热棒加热输出控制程序设计。由热压机自动控制系统流程可知，模芯达到气流加热位置时需要开始气流加热（图4），此时M50.3得电，其常开触点M50.3将闭合，当PID级联控制的从控制器PWM管口输出有信号，自动气流加热标志M50.7得电，将自动启动气流加热。此外手动调试时可以直接启动气流加热。加热棒在自动模式下，电机上升开始时，可以驱动输出寄存器Q0.5得电，启动加热棒加热，也可以手动模式直接启动。

　　图8所示为低温气流冷却输出控制程序设计。当保温保压时间到后，相应的定时器常开触点闭合，开始归位。归位过程，电动推杆下降，模芯逐渐回归初始位置，同时归位制冷判断标志位得电。因为设置冷却工件温度的目标温度为60℃,当工件实际温度大于目标温度，则自动制冷标志将得电，启动制冷。

　　3.5触摸屏实时监控工程的设计

　　本文采用西门子WinCC KTP400 Basic触摸屏设计热压印设备的监控工程。首先，在博图V15软件中，根据触摸屏型号新增触摸屏设备，将PLC设备与触摸屏设备进行组态，通过以太网PN/IE_2的方式进行互相通信（图9）。然后，在博途V15软件中创建内部变量及过程变量，并连接触摸屏内部变量及PLC内部变量。设计控制界面，监控热压温度、热压压力、热压时间等工艺参数。

　　4设备调试与运行

　　图10所示为气流辅助热压印设备及自动控制系统硬件实物。首先，搭建热压印硬件设备装置，完成机械结构组装及自动控制系统硬件设备接线。图10（a）所示为气流辅助热压印设备实物，图10（b）所示为自动控制系统硬件实物。然后，采用网络分线器将PC计算机、PLC和触摸屏连接到同一个网段上，分别设置计算机、PLC和触摸屏的IP地址为192.168.1.2、192.168.1.0和192.168.1.20。最后，下载工程到PLC硬件设备和触摸屏中。开发气流辅助热压印设备最大载荷为9 800 N，压力控制精度0.1%。加热温度范围为25~600℃,可精确测量范围为0~200℃。实验表明：对比加热棒单一热源加热方式，利用高温气流及热电偶双热源加热方法可以提高效率50%。对比高温气流单一热源加热方式，双热源加热方式可以提高效率70%。

　　图11所示为PID级联控制输出曲线。黑色线表示温度设定值，绿色线表示实时温度，红色线与蓝色线分别表示输出加热和输出制冷量。由图11（a）可知，从控制器中输出加热和输出制冷共同控制实时温度，从控制器中加热、制冷输出波动较大，温度设定值不断逼近温度设定值，没有出现超调量。主控制器由于没有制冷输出，只能通过输出加热量控制实时温度。由图11（b）可知，工件实时温度在48 s前曲线波动强烈，此后实时温度趋于与温度设定值，误差小于0.5℃,整体波动较小。因此采用PID级联控制方法，可以显著减小波动性，提高控制系统的稳定性。

　　图12所示为WinCC触摸屏监控界面及微成型的光学微透镜阵列。WinCC触摸屏监控界面主要包括工艺参数设置界面、热压过程状态显示界面及工艺参数曲线显示界面。

　　通过工艺参数设置界面设置工艺参数为热压温度120℃,保压压力5 000 N和保压时间3 s（图12（a））。然后，通过热压过程状态显示界面查看设备运行状态，该界面最上方为状态显示灯，灯亮绿色表示正在运行。左下方显示实时温度及实时压力。右下方为功能按钮区域，包括高温气流加热、加热棒加热、手动加压、手动泄压、制冷等功能按钮（图12（b））。图12（c）表示热压温度及热压压力工艺参数曲线显示界面。采用直径为80μm的通孔阵列模芯微成型微透镜阵列，最终能在68 s（上升及加热55 s、保温保压3 s,下降冷却10 s）内实现微透镜阵列微成型，微透镜阵列为平均高度100μm、平均直径为80μm，如图12（d）所示。

　　5结束语

　　本文采用SolidWorks建立了气流辅助热压印设备三维模型；基于PID级联控制原理，设计了气流辅助热压印设备的自动控制系统；创建了WinCC组态监控工程，开发了热压印实物设备，开展了气流辅助热压印设备及自动控制系统性能测试研究。

　　（1）利用电动推杆推动模芯上下运动，可以实现模具合模与分模，热压印设备最大载荷为9 800 N，压力控制精度0.1%。

　　（2）对比加热棒加热方式，利用高温气流及热电偶双热源加热方法可以提高效率50%；对比高温气流加热方式，双热源加热方式可以提高效率70%。

　　（3）利用PID级联控制方法，热压印过程温自动控制系统能在48 s内快速达到目标温度，稳定时温度误差小于0.5℃,系统稳定性高，抗干扰能力强。

　　（4）设计的WinCC组态监控工程可以实时监控热压温度、热压压力等工艺参数。采用气体辅助热压印设备能在68 s内实现微透镜阵列产品精密微成型。

　　由于PID级联控制过程受到多种扰动因素共同影响，扰动因素及PID控制参数对温度控制的影响规律可以进一步研究。

      参考文献：

　　[1]Hu M.F.,Xie J.,Li W.,et al.Theoretical and experimental etudy on hot-embossing of glass-microprism array without online cool⁃ing process[J].Micromachines,2020,11(11):1-13.

　　[2]高艳.全自动TP-15热压机的开发设计[J].电子工业专用设备,2023,52(05):81-85.

　　[3]花军,史士曼,李晓旭,等.卧式多层热压机机架热力耦合分析及结构改进设计[J].木材科学与技术,2023,37(2):43-52.

　　[4]Chivate A.,Zhou C.Additive manufacturing of micropatterned functional surfaces:a review[J].International Journal of Extreme Manufacturing,2024,6(4):042004.

　　[5]Nan L.,Zhang H.D.,Weitz D.A.,et al.Development and future of droplet microfluidics[J].Lab on a Chip,2024,24(5):1135-1153.

　　[6]Deshmukh S.S.,Goswami A.Recent developments in hot emboss⁃ing-a review[J].Materials and Manufacturing Processes,2021,36(5):501-543.

　　[7]王美联.电气自动化控制设备可靠性测试策略[J].自动化应用,2024,65(4):110-112.

　　[8]段薇.基于PLC的机械自动化控制系统的设计与实现[J].中国机械,2023(34):17-20.

　　[9]周涛,杨汇军,韩金来.基于PLC的订单识别与包装入库系统设计[J].机电工程技术,2024,53(5):237-240.

　　[10]申淑丽,邹庆,梅雪川,等.基于PLC控制的高精准柔性化涂胶压合线体研究[J].机电工程技术,2024,53(6):109-113.

　　[11]胡士靖,吴超群,陈翱.基于西门子PLC的自动打磨控制系统设计[J].组合机床与自动化加工技术,2019,(12):72-75.

　　[12]何谦,陈毛毛,郁祉杰,等.高精度热压成型机液压伺服系统的设计与控制[J].液压与气动,2020(11):93-98.

　　[13]李成林,齐本胜,苗红霞,等.四旋翼串级自耦PID姿态控制器设计[J].自动化与仪器仪表,2023(2):103-106.

　　[14]周蒙,罗鹏,何迎辉,等.薄膜氢气传感器改进型PID控温方法研究[J].自动化与仪表,2024,39(7):92-95.

　　[15]孙红杰,李建云.大尺寸热压机温度和压力的精确控制[J].工业加热,2021,50(2):10-11,15.

　　[16]吕晓丹,吴次南.改进型模糊神经网络PID控制器的设计与仿真[J].数据采集与处理,2021,36(2):365-373.

　　[17]彭斌,王文奎.基于模糊系数修正BP神经网络PID的BLDCM控制系统仿真研究[J].电机与控制应用,2021,48(6):17-23.

　　[18]苗凌童,卢翼.基于PID的大面积建筑室内恒温性自整定控制[J].计算机仿真,2023,40(12):369-373.

　　[19]刘悦婷,孟维华,丁建中.一种PID-PID串级控制系统的设计及其性能分析[J].延边大学学报(自然科学版),2023,49(4):358-365.