基于PLC的鍍槽溫度控制系統設計

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(1.南京機電職業技術學院,江蘇 南京 211135;2.南京耀航電氣設備有限公司,江蘇 南京 210007)

0 引言

電鍍工藝主要是通過化學反應將某種擁有穩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[1-2]。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，因此設計一個穩定性高、抗干擾能力強的電鍍控制系統十分必要。

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選擇上，為了提高控制系統的穩定性、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，通過PLC作為系統的主要控制硬件，由PLC完成電鍍生產線各執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，對于數學模型的精確建立較為困難，傳統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PID控制基礎上引入了模糊控制方法，利用模糊規則實現PID參數的在線自適應調節，從而使鍍槽液溫度控制具有了自適應性[4-7]。

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60～80 g/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2.10～2.50 g/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。

圖1 槽位加熱系統

2 電鍍控制系統

電鍍控制系統主要由上位機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控[8]。控制系統硬件結構如圖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4～20 mA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運算以及各執行機構的控制。

圖2 控制系統硬件結構

溫度傳感器采集鍍槽溫度并將溫度轉化為4～20 mA模擬信號，傳送到PLC的模擬量采集系統中，PLC通過內部算法進行處理并根據PID輸出結果對執行機構進行自動控制。控制系統采用威綸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。

鍍液溫度控制系統的控制核心為PLC，該系統采用擴展能力強的松下AFPX-C60R作為PLC的CUP，通過PLC自帶的RS232串口實現與觸摸屏通信，由COM6通信模塊將系統數據傳送到上位機監控平臺。在PLC插件口配置一個模擬量輸出模塊DA2，該模塊能夠輸出4～20 mA信號，從而實現對蒸汽調節閥的控制。

鍍槽液溫度系統具有非線性強、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：

(1)

(2)

(3)

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，利用模糊規則進行模糊推理，查詢模糊規則對其參數進行在線調整。

圖3 模糊PID控制流程

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。系統在運行時能夠實時對電鍍設備的運行狀態、鍍槽溫度進行監控。當系統存在故障時，能夠及時輸出系統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。

圖4 人機界面仿真

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PID控制器超調量更小，能夠迅速將溫度調節至50 ℃，且具有良好的動態和靜態特性，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。控制系統主要由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、狀態顯示、故障監控；PLC完成控制系統數據采集、命令下發，并完成各種算法計算。為了克服傳統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：該系統能夠平穩運行，操作界面能夠實現方便操作，模糊PID控制方法相比于傳統PID控制方法超調量小、穩定性高，完全能夠實現電鍍生產過程中溫度的精確控制。