PLC下的鍍槽溫度控制系統(tǒng)設計
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摘要：為了實時對鍍槽溫度進行監(jiān)控，并有效控制鍍槽溫度精度，設計了一種基于plc的鍍槽溫度控制系統(tǒng)。首先介紹鍍槽溫度控制系統(tǒng)硬件結構，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)的自適應能力。最后對模糊PID控制器進行仿真分析。仿真結果表明，該模糊PID控制器響應速度快、超調量小，能夠實現鍍槽溫度的精確控制。
關鍵詞：電鍍電流；RBF神經網絡；PID；仿真
引言
電鍍工藝主要是通過化學反應將某種擁有穩(wěn)定特性的金屬或合金物質附著在鍍件表面，鍍件經過電鍍工藝處理后，擁有了抗氧化性、耐磨性和防腐蝕等特性，從而延長了產品的使用時間［12］。電鍍過程中控制參數的精確控制對電鍍質量的保證至關重要，因此設計一個穩(wěn)定性高、抗干擾能力強的電鍍控制系統(tǒng)十分必要。電鍍生產中鍍槽溫度對于電鍍鍍件質量具有重要影響［3］。鍍槽中鍍液溫度低會增強陰極極化作用，鍍層結晶細致，但溫度過低會降低鍍槽預鍍金屬離子活性，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致鍍層出現結晶風險。由以上分析可以看出，在電鍍生產過程中需要對溫度進行精確控制，以保證電鍍工藝和鍍層質量。在電鍍生產線控制系統(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，本文設計了一款基于PLC的電鍍生產控制系統(tǒng)，通過PLC作為系統(tǒng)的主要控制硬件，由PLC完成電鍍生產線各執(zhí)行機構的控制和生產線各數據點的采集。電鍍槽液溫度是一個非線性、時變性系統(tǒng)，對于數學模型的精確建立較為困難，傳統(tǒng)PID控制由于參數固定不變，導致控制效果并不理想，為此在傳統(tǒng)PID控制基礎上引入了模糊控制方法，利用模糊規(guī)則實現PID參數的在線自適應調節(jié)，從而使鍍槽液溫度控制具有了自適應性［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℃溫度對電化學腐蝕鍍件進行快速表面清洗，進而去除表面的油污和氫氧化鈉溶液。電鍍溶液為2．10～2．50g／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、風機、水閥Y1等裝置進行溫度控制，利用溫度傳感器對槽液溫度進行采集，并將采集信號傳送到PLC控制器中，由PLC控制器根據此溫度做出具體計算。
2電鍍控制系統(tǒng)
電鍍控制系統(tǒng)主要由上位機PLC和下位機觸摸屏組成。通過操作觸摸屏上的操作按鈕，由PLC完成電鍍任務的下達，電鍍中的溫度等數據通過PLC傳送到觸摸屏中，由觸摸屏對電鍍工藝參數進行監(jiān)控［8］?？刂葡到y(tǒng)硬件結構如圖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串口進行數據傳送，系統(tǒng)數據在觸摸屏中進行實時顯示，由PLC完成溫度采集、PID運算以及各執(zhí)行機構的控制。溫度傳感器采集鍍槽溫度并將溫度轉化為4～20mA模擬信號，傳送到PLC的模擬量采集系統(tǒng)中，PLC通過內部算法進行處理并根據PID輸出結果對執(zhí)行機構進行自動控制?？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進行通信，觸摸屏主要完成參數設置、數據顯示、故障診斷以及各種數據曲線展示。鍍液溫度控制系統(tǒng)的控制核心為PLC，該系統(tǒng)采用擴展能力強的松下AFPXC60R作為PLC的CUP，通過PLC自帶的RS232串口實現與觸摸屏通信，由COM6通信模塊將系統(tǒng)數據傳送到上位機監(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，從而實現對蒸汽調節(jié)閥的控制。鍍槽液溫度系統(tǒng)具有非線性強、時變性等特點，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控制器參數調整方式為：KP、KI、KD為PID控制器初始參數；ΔKP、ΔKI、ΔKD為PID參數增量。通過溫度偏差e（t）和偏差變化率ec，利用模糊規(guī)則進行模糊推理，查詢模糊規(guī)則對其參數進行在線調整。
3仿真分析
3．1人機界面仿真
為了實現鍍槽溫度參數的方便設置以及各參數的有效監(jiān)控，采用觸摸屏編程軟件進行編程，編程后進行人機界面仿真，人機界面仿真結果如圖4所示。系統(tǒng)在運行時能夠實時對電鍍設備的運行狀態(tài)、鍍槽溫度進行監(jiān)控。當系統(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，為設備管理和維護人員提供故障排除依據。
3．2模糊PID仿真
為了驗證模糊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控制器超調量更小，能夠迅速將溫度調節(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結束語
根據電鍍工藝流程，設計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的設置、狀態(tài)顯示、故障監(jiān)控；PLC完成控制系統(tǒng)數據采集、命令下發(fā)，并完成各種算法計算。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，由模糊控制理論實現PID參數的自適應調整。仿真結果表明：該系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運行，操作界面能夠實現方便操作，模糊PID控制方法相比于傳統(tǒng)PID控制方法超調量小、穩(wěn)定性高，完全能夠實現電鍍生產過程中溫度的精確控制。
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作者：陳云霞 李松青 單位：南京機電職業(yè)技術學院