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(1.南京機電職業(yè)技術(shù)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(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[1-2]。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(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陰極極化作用，鍍層結(jié)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(xiàn)結(jié)晶風險。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，本文設計了一款基于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)行機構(gòu)的控制和生產(chǎn)線各數(shù)據(jù)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(shù)學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)則實現(xiàn)PID參數(shù)的在線自適應調(diào)節(jié)，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?nèi)芤簽?.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(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(jù)此溫度做出具體計算。

圖1 槽位加熱系統(tǒng)

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?nèi)蝿盏南逻_，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4～20 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(shù)據(jù)傳送，系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(gòu)的控制。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

溫度傳感器采集鍍槽溫度并將溫度轉(zhuǎn)化為4～20 mA模擬信號，傳送到PLC的模擬量采集系統(tǒng)中，PLC通過內(nèi)部算法進行處理并根據(jù)PID輸出結(jié)果對執(zhí)行機構(gòu)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(shù)設置、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(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4～20 mA信號，從而實現(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、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(shù)調(diào)整方式為：

(1)

(2)

(3)

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)則進行模糊推理，查詢模糊規(guī)則對其參數(shù)進行在線調(diào)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(xiàn)鍍槽溫度參數(shù)的方便設置以及各參數(shù)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(jié)果如圖4所示。系統(tǒng)在運行時能夠?qū)崟r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(jù)。

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(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(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(shù)的設置、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(xiàn)PID參數(shù)的自適應調(diào)整。仿真結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運行，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。