PLC下的鍍槽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要：為了實(shí)時對鍍槽溫度進(jìn)行監(jiān)控，并有效控制鍍槽溫度精度，設(shè)計(jì)了一種基于plc的鍍槽溫度控制系統(tǒng)。首先介紹鍍槽溫度控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，為了克服傳統(tǒng)PID控制方法的缺陷，在PID控制中引入模糊控制理論，從而提高系統(tǒng)的自適應(yīng)能力。最后對模糊PID控制器進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，該模糊PID控制器響應(yīng)速度快、超調(diào)量小，能夠?qū)崿F(xiàn)鍍槽溫度的精確控制。
關(guān)鍵詞：電鍍電流；RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；PID；仿真
引言
電鍍工藝主要是通過化學(xué)反應(yīng)將某種擁有穩(wěn)定特性的金屬或合金物質(zhì)附著在鍍件表面，鍍件經(jīng)過電鍍工藝處理后，擁有了抗氧化性、耐磨性和防腐蝕等特性，從而延長了產(chǎn)品的使用時間［12］。電鍍過程中控制參數(shù)的精確控制對電鍍質(zhì)量的保證至關(guān)重要，因此設(shè)計(jì)一個穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)的電鍍控制系統(tǒng)十分必要。電鍍生產(chǎn)中鍍槽溫度對于電鍍鍍件質(zhì)量具有重要影響［3］。鍍槽中鍍液溫度低會增強(qiáng)陰極極化作用，鍍層結(jié)晶細(xì)致，但溫度過低會降低鍍槽預(yù)鍍金屬離子活性，從而影響鍍層沉積效率。升高鍍層溫度會減小鍍層中氫含量，氫含量的減小能夠提高鍍層表面處理效率，但鍍層溫度過高也會導(dǎo)致鍍層出現(xiàn)結(jié)晶風(fēng)險。由以上分析可以看出，在電鍍生產(chǎn)過程中需要對溫度進(jìn)行精確控制，以保證電鍍工藝和鍍層質(zhì)量。在電鍍生產(chǎn)線控制系統(tǒng)選擇上，為了提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及軟件程序的可編輯性，本文設(shè)計(jì)了一款基于PLC的電鍍生產(chǎn)控制系統(tǒng)，通過PLC作為系統(tǒng)的主要控制硬件，由PLC完成電鍍生產(chǎn)線各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制和生產(chǎn)線各數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集。電鍍槽液溫度是一個非線性、時變性系統(tǒng)，對于數(shù)學(xué)模型的精確建立較為困難，傳統(tǒng)PID控制由于參數(shù)固定不變，導(dǎo)致控制效果并不理想，為此在傳統(tǒng)PID控制基礎(chǔ)上引入了模糊控制方法，利用模糊規(guī)則實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而使鍍槽液溫度控制具有了自適應(yīng)性［47］。
1電鍍工藝過程
電鍍工藝流程為：上掛具—通電除油—第1次水洗—電化學(xué)腐蝕—第2次水洗—活化—第3次水洗—鍍硬鉻—第4次水洗—干燥—下掛具。待鍍件裝掛后，按照一定配比和工藝要求對鍍槽液溫度進(jìn)行精確控制。在電鍍開始前通入溫度為50℃的氫氧化鈉溶液，氫氧化鈉溶液濃度為60～80g／L。采用50～60℃溫度對電化學(xué)腐蝕鍍件進(jìn)行快速表面清洗，進(jìn)而去除表面的油污和氫氧化鈉溶液。電鍍?nèi)芤簽?．10～2．50g／L硫酸溶液并將溫度控制在45℃，該溫度既能保證電鍍效率，又能夠防止鍍層發(fā)生裂痕。由于電化學(xué)除油和水洗1槽位溫度相近，而為了減小能耗、方便管理和控制鄰近槽位溫度，電化學(xué)除油和水洗1槽合用水浴加熱裝置，槽位加熱裝置如圖1所示。通過加熱套、風(fēng)機(jī)、水閥Y1等裝置進(jìn)行溫度控制，利用溫度傳感器對槽液溫度進(jìn)行采集，并將采集信號傳送到PLC控制器中，由PLC控制器根據(jù)此溫度做出具體計(jì)算。
2電鍍控制系統(tǒng)
電鍍控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)PLC和下位機(jī)觸摸屏組成。通過操作觸摸屏上的操作按鈕，由PLC完成電鍍?nèi)蝿?wù)的下達(dá)，電鍍中的溫度等數(shù)據(jù)通過PLC傳送到觸摸屏中，由觸摸屏對電鍍工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控［8］?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。Pt1000溫度傳感器將電阻信號傳送到溫度變送器中，溫度變送器再將4～20mA溫度信號傳送到PLC模擬量采集模塊中。觸摸屏與PLC通過RS485串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，系統(tǒng)數(shù)據(jù)在觸摸屏中進(jìn)行實(shí)時顯示，由PLC完成溫度采集、PID運(yùn)算以及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。溫度傳感器采集鍍槽溫度并將溫度轉(zhuǎn)化為4～20mA模擬信號，傳送到PLC的模擬量采集系統(tǒng)中，PLC通過內(nèi)部算法進(jìn)行處理并根據(jù)PID輸出結(jié)果對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動控制?？刂葡到y(tǒng)采用威綸MT6070I系列觸摸屏，該款觸摸屏通過RS232串口與PLC進(jìn)行通信，觸摸屏主要完成參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示、故障診斷以及各種數(shù)據(jù)曲線展示。鍍液溫度控制系統(tǒng)的控制核心為PLC，該系統(tǒng)采用擴(kuò)展能力強(qiáng)的松下AFPXC60R作為PLC的CUP，通過PLC自帶的RS232串口實(shí)現(xiàn)與觸摸屏通信，由COM6通信模塊將系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)監(jiān)控平臺。在PLC插件口配置一個模擬量輸出模塊DA2，該模塊能夠輸出4～20mA信號，從而實(shí)現(xiàn)對蒸汽調(diào)節(jié)閥的控制。鍍槽液溫度系統(tǒng)具有非線性強(qiáng)、時變性等特點(diǎn)，單純的PID控制并不能滿足系統(tǒng)控制要求。為此，本文在PID控制器中引入了模糊控制方法，模糊PID控制流程如圖3所示。模糊PID控制器參數(shù)調(diào)整方式為：KP、KI、KD為PID控制器初始參數(shù)；ΔKP、ΔKI、ΔKD為PID參數(shù)增量。通過溫度偏差e（t）和偏差變化率ec，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊規(guī)則對其參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整。
3仿真分析
3．1人機(jī)界面仿真
為了實(shí)現(xiàn)鍍槽溫度參數(shù)的方便設(shè)置以及各參數(shù)的有效監(jiān)控，采用觸摸屏編程軟件進(jìn)行編程，編程后進(jìn)行人機(jī)界面仿真，人機(jī)界面仿真結(jié)果如圖4所示。系統(tǒng)在運(yùn)行時能夠?qū)崟r對電鍍設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、鍍槽溫度進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)系統(tǒng)存在故障時，能夠及時輸出系統(tǒng)報警信息以及故障代碼，為設(shè)備管理和維護(hù)人員提供故障排除依據(jù)。
3．2模糊PID仿真
為了驗(yàn)證模糊PID鍍槽溫度控制方法的有效性，分別對傳統(tǒng)PID控制器和模糊PID控制器進(jìn)行仿真，槽液溫度控制在50℃，由MATLAB仿真軟件得到溫度階躍響應(yīng)曲線如圖5所示。圖5仿真曲線由圖5可知，模糊PID控制器相比于傳統(tǒng)PID控制器超調(diào)量更小，能夠迅速將溫度調(diào)節(jié)至50℃，且具有良好的動態(tài)和靜態(tài)特性，明顯提高了鍍槽溫度控制效果。
4結(jié)束語
根據(jù)電鍍工藝流程，設(shè)計(jì)了電鍍過程鍍液溫度智能控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)主要由PLC和觸摸屏組成，通過觸摸屏完成鍍液控制過程中參數(shù)的設(shè)置、狀態(tài)顯示、故障監(jiān)控；PLC完成控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、命令下發(fā)，并完成各種算法計(jì)算。為了克服傳統(tǒng)PID控制缺陷，在PID控制器中引入了模糊控制理論，由模糊控制理論實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整。仿真結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運(yùn)行，操作界面能夠?qū)崿F(xiàn)方便操作，模糊PID控制方法相比于傳統(tǒng)PID控制方法超調(diào)量小、穩(wěn)定性高，完全能夠?qū)崿F(xiàn)電鍍生產(chǎn)過程中溫度的精確控制。
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作者：陳云霞 李松青 單位：南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院