電鍍生產(chǎn)中的PLC節(jié)能控制模型的設計研究

黃永杰

(廣西職業(yè)技術(shù)學院 計算機與電子信息工程系，廣西 南寧　530226)

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電鍍生產(chǎn)中的PLC節(jié)能控制模型的設計研究

黃永杰

(廣西職業(yè)技術(shù)學院 計算機與電子信息工程系，廣西 南寧530226)

摘要：針對可編程邏輯控制器(PLC)控制為主的電鍍生產(chǎn)中，存在能耗過高的問題。建立一種應用到電鍍生產(chǎn)中PLC節(jié)能控制的模型。分析了在以PLC作為電鍍生產(chǎn)控制核心的過程中產(chǎn)生能耗的原因，將監(jiān)測到的各環(huán)節(jié)能損耗關系量化，在此基礎上計算出電鍍生產(chǎn)中的電能消耗最低時，鍍鉻槽的最優(yōu)參數(shù)，并結(jié)合參數(shù)建立PLC節(jié)能控制模型。實驗仿真證明，將PLC控制模型運用在電鍍生產(chǎn)中，可以達到降低能耗的目的。

關鍵詞:電鍍； 節(jié)能控制； PLC自動控制

Keyword: electroplating; Energy saving control; PLC automatic control

引言

在國內(nèi)電鍍行業(yè)中，如何降低生產(chǎn)過程中的能源消耗逐漸成為很多電鍍企業(yè)越來越重視的一個課題[1-3]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，只要電鍍企業(yè)實行嚴格的科學管理，綜合衡量電鍍設備和工藝的選擇，對電鍍生產(chǎn)過程進行有效的控制，完全可以達到節(jié)約能源，降低電鍍成本的目的[4-6]。然而，當前的電鍍節(jié)能控制過程一般以大型可編程邏輯控制器(PLC)智能控制為主，設備眾多缺乏一定的科學性，不易建立準確的電鍍節(jié)能控制，存在難以降低電鍍成本的問題。在這種情況下，建立精確的節(jié)能控制模型是解決上述問題的根本途徑，引起了很多專家與學者的重視[7]。文獻[8]提出了基于PID(按偏差的比例、積分和微分進行控制)算法的電鍍生產(chǎn)節(jié)能控制方法。該方法依據(jù)電鍍生產(chǎn)中的能源消耗的偏差比例，設計出PID控制器，利用該控制器完成對能耗的控制。該方法較為簡單，但是存在耗時較長的問題。文獻[9]采用神經(jīng)網(wǎng)絡算法對電鍍生產(chǎn)中的能耗進行控制。該方法先建立神經(jīng)網(wǎng)絡控制模型，求取能耗輸入向量與權(quán)向量的內(nèi)積后，經(jīng)一個非線性傳遞函數(shù)得到一個節(jié)能控制結(jié)果，利用該結(jié)果實現(xiàn)了電鍍生產(chǎn)中節(jié)能控制。該方法魯棒性強，但是存在計算過于繁瑣的問題。文獻[10]重點討論了濾波LMS(最小均方)算法的節(jié)能控制。該方法用LMS濾波得到電鍍生產(chǎn)中能源消耗的有限脈沖響應控制模型，通過對該模型求解完成對電鍍生產(chǎn)中節(jié)能控制。該方法響應速度較快，但難以建立精確的電控制模型，存在節(jié)能控制誤差大的問題。

針對上述方法的缺陷，建立一種可應用到電鍍生產(chǎn)中PLC節(jié)能控制的模型。分析了以PLC作為電鍍生產(chǎn)核心過程中，產(chǎn)生能耗的原因，將監(jiān)測到的各環(huán)節(jié)能損耗關系量化，在此基礎上計算出電鍍生產(chǎn)中的電能消耗最低時，鍍鉻槽的最優(yōu)參數(shù)，結(jié)合參數(shù)建立PLC節(jié)能控制模型。

2能耗問題分析與參數(shù)選取

當前的電鍍生產(chǎn)自動化控制中，主要以大型PLC為基礎，PLC又以CMOS(互補金屬氧化半導體)電路為基礎，在電鍍生產(chǎn)過程中的主要電路狀態(tài)穩(wěn)定時，CMOS反相器中產(chǎn)生漏電流，它是產(chǎn)生靜態(tài)功耗的主要原因。此外，亞閾電流、柵極漏電流也是PLC控制中產(chǎn)生能耗的主要原因。計算方法如下：

P=Pa+PD=PC+PT+PD

(1)

用P表示CMOS反相器的功耗，PD表示CMOS反相器的靜態(tài)功耗，Pa為雜波漏電流，PC為雜波靜態(tài)漏電流，PT為雜波動態(tài)漏電流。

亞閾電流是電鍍生產(chǎn)過程中產(chǎn)生能耗的另一個主要原因。它是當電鍍生產(chǎn)PLC設備處于不工作狀態(tài)時，源級和漏極之間的電流，電鍍生產(chǎn)中的PLC亞閾漏電流，如式(2)所示：

(2)

其中，μ0是PLC載流子的遷移率，Weff、Leff是電鍍控制PLC設備中晶體管的有效的寬度和長度，Vds是在零偏置下的閾值電壓，VT代表熱效電壓，φox為隧道電子(或空穴)的勢壘高度，e為自然指數(shù)。

隨著工藝的加深，電鍍設備中柵極漏電流的增度比亞閾漏電流要快很多，它可以用公式(3)表示：

(3)

其中，Ag和Bg為與電鍍工藝相關的物理參數(shù)，其他參數(shù)同公式(2)。

3新節(jié)能控制模型在電鍍生產(chǎn)中的應用

3.1能耗關系矩陣的建立

在電鍍生產(chǎn)過程中，在建立節(jié)能控制模型之前，需要結(jié)合三個能耗參數(shù)求出電能消耗矩陣。利用該矩陣描述電鍍生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)間的能耗關系，完成最優(yōu)控制。

關系矩陣的計算步驟，假設由∑Q代表電鍍生產(chǎn)中的所有的能耗，Sj代表鍍鉻槽中PLC的CMOS漏電流，Sj'代表亞閾電流，Sn代表柵極漏電流，關系矩陣如下：

∑Q=nj(J'Sj+J'+J2'2Sj'+J2'2Sn)

(4)

式中J' 代表鍍鉻槽的能耗實時變化率，可以利用下式表述：

(5)

式中J2'2代表陰陽兩電極的能耗變化率。Q1為控制經(jīng)驗參數(shù)，取值范圍在0～1之間。

3.2基于關系矩陣的能耗控制模型設計

在建立能耗關系矩陣的基礎上，設計電鍍生產(chǎn)過程中的能耗控制模型。假設電鍍生產(chǎn)處于平穩(wěn)的過程，忽略環(huán)境因素產(chǎn)生的干擾能耗，以上述描述電鍍生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)間的關系矩陣為依據(jù)，則鍍槽PLC控制中的能耗模型可以表述為：

(6)

式中a1、b1、c1分別代表電鍍生產(chǎn)中的三個能耗參數(shù)關系矩陣，v代表為克服鍍液電阻所需要的電壓。

3.3基于控制模型的PLC電壓節(jié)能控制的實現(xiàn)

在電鍍生產(chǎn)的節(jié)能控制過程中，大部分的電鍍控制設備都是采用西門子S7200系列PLC芯片作為電鍍生產(chǎn)控制的核心，PLC的通信是利用上位機觸摸屏中的人機交互界面，控制鍍鉻槽電壓、電流與功率的互感器和熱繼電器、過流、過壓繼電器等部分，是節(jié)能控制的主要單元。所以，對該設備的控制過程主要以電壓控制為主。由此，可將計算出電鍍生產(chǎn)中的電能消耗最低時，獲取鍍鉻槽的最優(yōu)參數(shù)的問題，轉(zhuǎn)化為電壓消耗最低時，計算鍍鉻槽的最優(yōu)參數(shù)問題。

電壓協(xié)調(diào)控制的目標是根據(jù)電力系統(tǒng)運行狀態(tài)制定合理的調(diào)壓措施，在確保電壓穩(wěn)定的前提下防止控制器冗余和無序調(diào)節(jié)。

在電鍍生產(chǎn)中，以3.2建立的基于關系矩陣的能耗控制模型的基礎上，在確保電壓穩(wěn)定的前提下，在固定時間間隔內(nèi)，調(diào)節(jié)鍍鉻槽電壓，改變互感器和熱繼電器中的電流與功率，減少過流、過壓等問題，實現(xiàn)電鍍生產(chǎn)中的節(jié)能，具體的步驟如下詳述。

在電鍍生產(chǎn)中，以能耗控制模型為約束條件，計算出電鍍生產(chǎn)中的電能消耗最低時，鍍鉻槽的最優(yōu)參數(shù)：

K=f(v)[(a1v3+b1v2+c1v)]

(7)

式中K為后期的主要調(diào)節(jié)參數(shù)。

在K的基礎上，完成控制模型的PLC電壓節(jié)能控制，具體步驟如下：

1)在電壓控制初始時刻t1處，若t1時刻存在電壓穩(wěn)定平衡點，則計算該平衡點的相應電壓，以K為基礎，建立的PLC節(jié)能控制模型保持平穩(wěn)狀態(tài)，完成當前控制；若t1時刻不存在穩(wěn)定平衡點，則轉(zhuǎn)到第二步。

2)求解電壓協(xié)調(diào)控制模型，得到控制周期內(nèi)各采樣點處最優(yōu)控制模型電壓參數(shù)序列(Δk(1|n),Δk(2|n),…,Δk(n|n))。

3)在tn時刻將最優(yōu)控制序列中的第1步控制Δk(1|n)施加于電壓控制過程中。

4)下一個控制周期初始時刻tn+1=tn+ts。

5)如果電壓穩(wěn)定，重復上述步驟1，否則，繼續(xù)迭代計算，直到穩(wěn)定。

其中，tn為第n個控制周期初始時刻，Δk為控制輸入調(diào)節(jié)參數(shù)，ts為控制周期。

通過上述步驟，可降低電鍍槽中的陰陽兩電極與鍍液界面間的電位差，減少過流、過壓等問題，以實現(xiàn)節(jié)能目標。

4實驗與測試

為了證明提出的節(jié)能控制模型的有效性，需要進行實驗。選取電鍍生產(chǎn)中總控制的實驗平臺。如圖1所示。

圖1　實驗環(huán)境

4.1實驗(1)

分別采用本文的模型與傳統(tǒng)的PID控制方法進行電鍍生產(chǎn)中的總線控制實驗，將不同模型節(jié)能控制的控制超調(diào)量進行對比，對比結(jié)果見圖2。

圖2　不同模型仿真曲線對比

從圖2實驗結(jié)果能夠得知，相對于傳統(tǒng)模型，本文的改進模型進行的電鍍生產(chǎn)中節(jié)能控制產(chǎn)生的超調(diào)量更小，其控制過程可靠度高，節(jié)能控制響應時間較短，電鍍工藝更優(yōu)良。

4.2實驗(2)

分別采用傳統(tǒng)模型和改進模型進行電鍍生產(chǎn)中節(jié)能控制實驗。在不同的實驗次數(shù)下，將2種模型的控制運行時間、節(jié)能結(jié)果和控制穩(wěn)定性進行對比，對比結(jié)果見表1、表2。

表1傳統(tǒng)PID模型的節(jié)能控制性能

實驗/次t控制運行/s節(jié)能控制精確度/(%)節(jié)能控制穩(wěn)定性/(%)53.457.385153.675.681353.678.083455.127.685556.434.484656.439.082

表2改進模型的節(jié)能控制性能

實驗/次t控制運行/s節(jié)能控制精確度/(%)節(jié)能控制穩(wěn)定性/(%)51.437.094151.456.093351.459.091451.468.692551.599.093651.598.094

從表1和表2中可以說明，改進模型進行電鍍生產(chǎn)中節(jié)能效果要優(yōu)于傳統(tǒng)模型，這主要是因為改進模型先對電鍍生產(chǎn)中消耗的所有電能進行詳細的計算,建立電鍍生產(chǎn)中的電能消耗矩陣,利用該矩陣描述電鍍生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)間的電能損耗的模型,以獲取的結(jié)果為依據(jù)建立了電鍍生產(chǎn)中的PLC節(jié)能控制模型，從而保障了改進模型節(jié)能控制的有效性。

4.3實驗(3)

分別采用傳統(tǒng)模型和改進模型進行電鍍生產(chǎn)中節(jié)能控制實驗。在有干擾的情況下，分別將不同模型的控制超調(diào)量進行對比，對比結(jié)果見圖3。

圖3　干擾情況下不同模型節(jié)能控制效果

從圖3中可以說明，改進模型的魯棒性較強，電鍍生產(chǎn)中節(jié)能控制穩(wěn)定狀態(tài)較好，充分表明改進模型在電鍍生產(chǎn)中節(jié)能控制性能。

測試結(jié)果證明，本文提出的節(jié)能模型在電鍍生產(chǎn)中的節(jié)能控制效果更好，達到降低電鍍成本的目的，魯棒性強。

5結(jié)束語

針對采用當前的模型進行電鍍生產(chǎn)中的節(jié)能控制時，難以建立精確的電鍍生產(chǎn)中的節(jié)能控制模型,存在電鍍生產(chǎn)中節(jié)能控制誤差大的問題。提出了一種結(jié)合PLC的電鍍生產(chǎn)中節(jié)能控制方法。實驗仿真證明，基于PLC的電鍍生產(chǎn)中節(jié)能控制方法可以達到降低電鍍成本的目的，魯棒性強。

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Design and Research of PLC energy-saving Control Model in Electroplating Production

HUANG Yongjie

(Guangxi Vocational & Technical college,Department of Computer and Electronic Information engineering,Nanning 530226,China)

Abstract:Due to the existence of the problem of high energy consumption in the electroplating production which is mainly controlled by programmable logical controller (PLC),a kind of PLC energy-saving model which can be used in electroplating production was established.The energy loss reason was analyzed and relationship of the detected energy loss among each link were quantified.Based on which,the optimized parameters of chrome plating bath at the lowest energy consumption were calculated and then the PLC energy-saving control model was established.Simulation experiment proved that this control model can achieve the goal of reducing energy consumption in electroplating production.

基金項目：廣西教育廳科研項目 YB2014487

收稿日期：2015-10-31修回日期： 2015-12-15

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.03.009