PLC控制的熱封機溫度控制系統(tǒng)開發(fā)與研究

王 龍，曹 恒，陳 誠，曾繁俊，方明周

WANG Long, CAO Heng, CHEN Cheng, ZENG Fan-jun, FANG Ming-zhou

(華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237)

0 引言

迄今為止，無論是大直線尺寸的脈沖熱封機還是一般用途的脈沖熱封機，國外產(chǎn)品僅僅有幾家大公司產(chǎn)品有溫度傳感器，而國內(nèi)產(chǎn)品基本均不安裝溫度傳感器。這是因為在大多數(shù)熱封材料加工應用場合都不需要熱封溫度監(jiān)測[1]。在飛機隔音棉熱封的場合，由于熱封溫度對于隔音棉的封口質(zhì)量起著至關重要的作用[2]，因此加熱鎳鉻絲的溫度控制是整個加工過程的關鍵所在，必須對其進行實時監(jiān)測[3]。

另外，由于隔音棉封口長度長達4m，加熱溫度高達200℃以上，加熱電流至少150A，且隔音棉的整個封合過程最多持續(xù)幾十秒，相比于常見的溫度控制系統(tǒng)，對整條加熱鎳鉻絲的溫度場分布和相應的溫度升降變化都提出了較高的要求[4]，所允許的調(diào)節(jié)時間也只有幾秒，尤其升溫速度要求較快，因此對控制系統(tǒng)提出了較嚴格的要求。

為了滿足上述條件，該系統(tǒng)提出了基于PID算法的理論基礎，建立了由PLC和觸摸屏組成的前饋與補償反饋相結合的溫度控制系統(tǒng)[5]，能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度的實時監(jiān)控、穩(wěn)定控制、超溫報警以及自動處理，極大地提高了工作效率，加快了系統(tǒng)的響應速度，解決了加工過程中的慢熱遲滯效應，從而確保了隔音棉的封口質(zhì)量。

圖1 硬件接線圖

1 熱封機溫度控制系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)硬件組成

熱封機溫度控制系統(tǒng)的硬件接線和實物分別如圖1和圖2所示。系統(tǒng)主要由S7-200 PLC、Smart 1000觸摸屏、熱電偶模塊、模擬輸出模塊、鎳鉻絲電阻、OMEGA熱電偶、受控式脈沖數(shù)字電源以及其他一些附屬部件組成。

S7-200系列PLC是西門子公司所產(chǎn)的應用于工業(yè)生產(chǎn)制造的小型編程控制器，本系統(tǒng)選用226系列的普通晶體管輸入輸出的CPU，內(nèi)置有自整定的PID控制器，性能優(yōu)良。

圖2 系統(tǒng)實物圖

溫度傳感器選用的是美國OMEGA公司的快速響應帶自粘式襯片的K型熱電偶，響應時間快于0.3秒。同時選用專門用于熱電偶信號采集的EM231的模擬輸入模塊，加快響應速度。

EM232模擬輸出模塊則將PLC經(jīng)過PID運算得到的控制結果轉化為電壓信號輸出，用于控制數(shù)字電源的電壓輸出，從而調(diào)節(jié)鎳鉻絲的加熱功率。

1.2 系統(tǒng)工作原理

鎳鉻絲在加熱過程中，由四個均勻粘貼在鎳鉻絲表面的快速響應熱電偶采集溫度信號，反饋到熱電偶A/D模塊輸入端，經(jīng)過均值化處理后，與PLC設定的期望加熱溫度進行差值運算，根據(jù)差值的大小，通過PID算法得到控制結果，將其送至由PLC控制D/A模塊，輸出0～10V的電壓，提供給數(shù)字式脈沖電源的控制輸入端，使電源對應輸出與輸入信號成正比的0～80V的加熱電壓。通過改變加熱電壓的大小，導致功率的變化來實現(xiàn)溫度的精確控制，系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作原理圖

2 熱封機溫度加熱控制模型

2.1 鎳鉻絲電阻加熱模型

鎳鉻絲電阻在加熱過程中，由電源輸入的電功率Pin，一部分轉化為鎳鉻絲的內(nèi)能Ph，用于使鎳鉻絲的溫度升高，另外一部分Pout則由于輻射、對流以及鎳鉻絲與環(huán)境的熱傳導等式而損失[6]。因此，鎳鉻絲以一定的溫升速率加熱時的瞬時電功率為：

式中，U為加熱電壓；ρ為鎳鉻絲電阻率；l為鎳鉻絲長度，4500mm；h 為鎳鉻絲厚度，0.35mm；w為鎳鉻絲寬度，40mm。

對式(2)進行拉普拉斯變換得：

當鎳鉻絲電阻在連續(xù)的加熱下達到熱平衡狀態(tài)時[7]，具有如下的等式：

其中，Qin為表示電源在單位時間內(nèi)產(chǎn)生的能量；Qs為鎳鉻絲因各種原因向外界釋放而損失的能量；Qh為鎳鉻絲每升高1oC所需要的能量；τ為時間；t為溫度；dt為dτ時間內(nèi)鎳鉻絲的溫升差。在dτ時間內(nèi)，瞬時熱平衡方程為：

其中，P為電源的工作功率；α為導熱系數(shù)，等于溫度為1oC時從鎳鉻絲單位面積上單位時間內(nèi)散發(fā)出去的熱量，為12.3～171W/(m2·℃)；A為鎳鉻絲的表面積；t為鎳鉻絲的溫度；t0為室溫；c為鎳鉻絲的比熱容，0.45kJ/(kg·℃)；m為鎳鉻絲的質(zhì)量。

令T=t-t0，則：

因此式(5)等價于：

對式(6)進行拉普拉斯變換可得：

由式(7)可得傳遞函數(shù)：

由于實際的快速響應熱電偶具有熱慣性，會使系統(tǒng)存在時間遲滯，故實際的傳遞函數(shù)為：

2.2 PID實時控制模型及仿真

由上述分析可知，鎳鉻絲的加熱溫度控制屬于典型的一階系統(tǒng)實時控制，其PID控制器通過鎳鉻絲上均勻分布的四個快速響應熱電偶傳感器獲取溫度信號，與系統(tǒng)設定的期望溫度值進行比較，判斷出鎳鉻絲所處的加熱狀態(tài)，從而對其進行精確控制。

但有兩個原因容易導致系統(tǒng)發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象，一是鎳鉻絲電阻和熱電偶的熱慣性，二是PID控制器的積分環(huán)節(jié)，因此本系統(tǒng)提出結合前饋和利用鎳鉻絲數(shù)學模型作補償反饋的方法來消除溫度測量值的滯后，提高系統(tǒng)的響應速度和精度。鎳鉻絲加熱的溫度控制系統(tǒng)模型如圖4所示。

圖4 鎳鉻絲電阻加熱的穩(wěn)定控制模型

為了檢驗控制模型的準確性，在Simulink環(huán)境中建立了仿真模型，如圖5所示。設定模型的相應參數(shù)，得到溫度仿真曲線如圖6所示。

圖5 鎳鉻絲加熱溫度控制的Simulink仿真圖

圖6 設定250oC時的溫度仿真曲線

由仿真結果可知，沒有前饋和補償反饋環(huán)節(jié)的系統(tǒng)響應較慢，相對于實際溫度值存在一定的時間滯后，因此導致電源仍然維持高功率輸出，溫度繼續(xù)上升，并且由于PID積分環(huán)節(jié)的飽和作用，導致系統(tǒng)產(chǎn)生微量的超調(diào)。只有前饋環(huán)節(jié)的系統(tǒng)雖然加快了響應速度，但有較大的超調(diào)量。這兩種情況下的溫度變化與實際的溫度趨勢之間具有較大的誤差。具有前饋和補償反饋環(huán)節(jié)的系統(tǒng)則較好地彌補了上述兩點不利因素，系統(tǒng)響應快速的同時完全消除了遲滯所引起的系統(tǒng)超調(diào)，且溫度測量值與實際值的變化趨勢相同，具有較為理想的控制效果。

3 熱封機溫度控制實驗結果

3.1 實驗數(shù)據(jù)

建立好整個溫控系統(tǒng)之后，在20oC的室溫條件下，分別設定三個期望溫度為150oC，250oC和300oC，表1為期望溫度是250oC時的部分實驗數(shù)據(jù)，將得到的實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進行比較，得到如圖7所示的控制曲線。

圖7 設定不同溫度時的控制曲線

3.2 結果分析

實驗結果顯示，該控制系統(tǒng)能滿足應用需求。但從中發(fā)現(xiàn)，實際的溫升曲線要慢于仿真的理想曲線，其原因是鎳鉻絲的電阻率會隨著溫度的上升而增大。在低溫階段，由于電阻率的增大還較小，對系統(tǒng)的影響不大。但隨著溫度的繼續(xù)升高，電阻增大就不能再忽略，而在模型中沒有加入這一環(huán)節(jié)，因此導致同樣的加熱功率沒有提升相應的溫度，表現(xiàn)為溫度的上升斜率較慢，但系統(tǒng)本身良好的動態(tài)特性彌補了該不足，取得了預期的實驗結果，達到了提高溫度控制精度的目的。

4 結束語

在鎳鉻絲加熱電阻的瞬時熱平衡方程的基礎上，通過拉普拉斯變換，研究建立了鎳鉻絲的加熱數(shù)學模型。再使用PID實時算法建立控制模型，并通過補償反饋和前饋相結合的方法，解決了溫控系統(tǒng)的響應速度和超調(diào)問題。最后基于該模型，使用PLC硬件建立了完整的溫控系統(tǒng)。實驗結果表明本設計不僅能夠消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，同時兼顧了快速響應和低超調(diào)量的要求，有效提高了溫度控制精度，確保了隔音棉的封口質(zhì)量，具有重要的應用價值和實際意義。

[1]花福安,李建平,趙志國,等.冷軋薄板試樣電阻加熱過程分析[J].東北大學學報,2003,28(9):1278-1279.

[2]李昂.積分分離PID控制算法在PLC爐溫控制系統(tǒng)中的應用[J].電子設計工程,2013,21(24):54-55.

[3]敖雯青,王壽增,張晉.電阻式加熱爐溫控制數(shù)理模型研究[J].工業(yè)爐,2012,34(1):37-38.

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