納米碳加熱膜式節(jié)能油溫機控制系統(tǒng)設(shè)計

徐圣頡 李彬彬 王志剛 郭幸

摘要： 研究了基于三菱PLC自帶的PID控制模塊的納米碳加熱膜式節(jié)能油溫機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用PLC觸摸屏一體機作為納米碳加熱材料控制器，利用三菱PLC自帶的PID控制模塊來控制納米碳加熱膜式納米加熱器。樣機實驗表明，該系統(tǒng)溫度控制穩(wěn)定，超調(diào)量小，可用于多種工業(yè)溫度控制場合。

Abstract： The control system of the nanometer carbon heating film energy saving oil temperature machine based on PID controller of Mitsubishi PLC is studied. The system uses PLC touch screen machine as a nanometer heating material controller， and uses Mitsubishi PLC comes with PID control module to control the instant nanometer heater. Prototype experiments show that the system has stable temperature control， small overshoot， which can be used for a variety of industrial temperature control occasions.

關(guān)鍵詞： 比例-積分-微分控制（PID）；溫度控制；納米碳加熱膜節(jié)能；油溫機硩

Key words： Proportion-Integral-Derivative（PID）；temperature control；nanometer carbon heating film energy saving；oil temperature machine

中圖分類號：TK323 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）19-0134-04

0 引言

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）在工程領(lǐng)域中具有以下優(yōu)點：可靠性高、抗擾動能力強、編程簡單易懂、功能強大、性價比高、使用簡便等等，因此被普遍應(yīng)用于現(xiàn)代化的工業(yè)控制領(lǐng)域中[1]。它采取一種可編程的存儲器，在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令[2]，通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設(shè)備或生產(chǎn)過程[3]。目前，工業(yè)上經(jīng)常使用的加熱控制方式有以下3種：脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）、比例-積分-微分控制（Proportion-Integral-Derivative，PID）以及模糊控制，它們各自有其優(yōu)、缺點，根據(jù)其優(yōu)缺點相應(yīng)地被應(yīng)用于不同的控制場合[4]。PWM控制的具有加熱速度快的優(yōu)點，但因其超調(diào)量較大且控制精度不高，因此常應(yīng)用于對控制精度要求不高的場合[5]；在控制過程中雖然難以確定PID控制的參數(shù)，并且通常會出現(xiàn)大超調(diào)的情況，然而隨著時間的增加，會逐漸趨于穩(wěn)定，故加熱時間較長，一般用于對加熱時間沒有要求的場合；而模糊控制對時變的負載具有一定的魯棒性特點，即對參數(shù)擾動的不敏感性，在對象發(fā)生較大擾動時仍能獲得良好的控制效果，因此特別適用于非線性、滯后等不完全系統(tǒng)的控制，通常用于控制精度較高且對時間沒有要求的場合。

納米碳加熱膜式節(jié)能油溫機自帶一個儲油箱，導(dǎo)熱油在工作時由儲油箱流入系統(tǒng)，通過循環(huán)泵打入到被控溫的設(shè)備，待被控溫設(shè)備溫度穩(wěn)定在設(shè)定值后，導(dǎo)熱油流出被控溫設(shè)備并返回到儲油箱內(nèi)，這樣循環(huán)往復(fù)直至系統(tǒng)停止運行，期間對溫度不停地進行測量與數(shù)據(jù)讀取。由于油溫機溫度控制具有時變性，且要求控溫設(shè)備保持恒溫狀態(tài)，經(jīng)比較了上述3種加熱控制方法后，本系統(tǒng)采用PID控制。

在節(jié)能減排的大背景下，目前工業(yè)用油溫機節(jié)能減排的壓力日益增大，因此本項目使用了一種加熱時間短、升溫速度快、功耗低、綠色環(huán)保的新型的材料——納米碳，用于設(shè)備加熱。

結(jié)果表明，本項目主要針對工業(yè)上高能耗的油溫機，結(jié)合新型納米納米碳加熱膜式發(fā)熱器件以及智能溫控技術(shù)，具有強大的自診斷功能，安全保護功能齊全，溫度控制滿足精度高的要求。

1 納米碳加熱膜式節(jié)能油溫機控制系統(tǒng)設(shè)計

本文油溫機采用加熱器的功率為6kW，380V AC供電，供熱媒介為高溫導(dǎo)熱油。納米碳加熱膜組功率為9kW，納米碳管為星型接法，其阻值為16Ω、17ΩΩ、17Ω。加熱的最高溫度為200 ℃。納米碳加熱膜式節(jié)能油溫機控制系統(tǒng)要求能精確地實現(xiàn)加熱時間控制和溫度控制，并且要求溫度穩(wěn)定在所設(shè)定的溫度值，即控溫設(shè)備恒溫不變，溫度誤差要求為±1℃。

1.1 納米碳加熱模式節(jié)能油溫機控制系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的納米碳加熱膜式節(jié)能油溫機的控制系統(tǒng)由PLC觸摸屏一體機、溫度傳感器、壓力傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、納米碳加熱膜式納米加熱器等組成，整體設(shè)計根據(jù)油路圖來完成，同時在人機界面顯示屏上模擬油路圖界面，在該界面上，可以看出在系統(tǒng)運行時，各個環(huán)節(jié)的溫度、電壓、電流、壓力情況以及高溫導(dǎo)熱油所流經(jīng)之處，如圖1納米碳加熱膜式節(jié)能油溫機高溫導(dǎo)熱油路徑流向圖（即觸摸屏主界面圖）所示，并且本文分別考慮了系統(tǒng)自動控制和手動控制兩個方面。本系統(tǒng)的電氣圖和設(shè)備接線圖如圖2納米碳加熱膜式節(jié)能油溫機系統(tǒng)電氣圖和圖3納米碳加熱膜式節(jié)能油溫機系統(tǒng)設(shè)備接線圖所示。

其中，納米碳管為納米碳加熱膜式納米加熱器的主要結(jié)構(gòu)，其成分為管狀的納米級石墨晶體，即石墨片環(huán)繞中心軸呈螺旋角，形成六邊形圓面平面，是一種無縫的納米級管。理論和實驗研究表明，納米碳管具有特異的導(dǎo)電性、極高的強度和韌性以及很高的熱穩(wěn)定性。納米碳加熱器可直接進行熱傳導(dǎo)，加熱均勻，且性能穩(wěn)定，安全可靠。納米新型電加熱技術(shù)節(jié)能效率達50%以上，符合節(jié)能環(huán)保理念。

本系統(tǒng)使用的高溫導(dǎo)熱油是一種高效的熱量傳遞媒介，在常壓狀態(tài)下就能很好地被加熱至所需溫度，能滿足極寬的溫度范圍，傳熱效果良好，有效地提升系統(tǒng)的熱效應(yīng)并且達到節(jié)能目的，因而適用于多種場合。

1.2 納米碳加熱模式節(jié)能油溫機控制系統(tǒng)邏輯設(shè)計

納米碳加熱膜式節(jié)能油溫機控制系統(tǒng)要求溫度維持在一定的數(shù)值上，并且能夠快速且準確地實現(xiàn)對其控制，具有較強的抗干擾能力，超調(diào)量不易過大，因此本文經(jīng)過反復(fù)推敲試驗決定使用PID控制的方法來實現(xiàn)對油溫機的溫度控制。

PID溫度控制是一個反饋的過程，通過對實際溫度（即PID指令中的PV項）和當前設(shè)定溫度（即PID指令中的SV項）進行比較，所得到的偏差經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器運算來獲得控制信號的輸出，由該輸出來控制納米加熱膜組是否加熱以及加熱時間的長短，從而實現(xiàn)對溫度的控制。

其控制過程如下：當實際溫度低于設(shè)定溫度時，實際溫度與設(shè)定溫度的偏差增大，經(jīng)過PID控制器運算輸出的脈沖寬度增大，控制加熱膜組加熱，加熱時間增加，溫度上升。反之，當實際溫度高于設(shè)定溫度時，實際溫度與設(shè)定溫度的偏差變小，經(jīng)過PID控制器運算輸出的脈沖寬度減小，控制加熱膜組減緩加熱，減少加熱時間直至停止加熱，啟動系統(tǒng)冷卻功能，溫度下降。

本文中在系統(tǒng)剛開始運行時，第一步是設(shè)定各個參數(shù)，然后按系統(tǒng)流程圖（圖4流程圖）運行程序。待油溫機運行2-3分鐘后，即高溫導(dǎo)熱油流量壓力穩(wěn)定時，開始實時監(jiān)測控溫設(shè)備的溫度，并和設(shè)定溫度進行比較，通過PID控制來相應(yīng)地調(diào)節(jié)加熱管動作。

2 界面設(shè)計及仿真分析

2.1 納米碳加熱模式節(jié)能油溫機控制系統(tǒng)人機觸摸屏界面

本文利用中達優(yōu)控公司研發(fā)的人機界面編程軟件YKHIM5.0，設(shè)計了納米碳加熱膜式節(jié)能油溫機的人機界面圖，并在顯示屏上模擬顯示油路流向，具體的數(shù)據(jù)顯示如圖5數(shù)據(jù)顯示界面圖，手動界面與自動界面類似，區(qū)別在于界面右側(cè)的設(shè)備運行狀態(tài)可以手動點擊設(shè)置。

2.2 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

本系統(tǒng)測試實驗著重于測試系統(tǒng)自動運行情況下油溫機的升溫和保溫特性，對兩個模具做加熱測試（管腔式），納米碳加熱模組功率為9kW。測試方法為當油壓穩(wěn)定后，開始加溫測試，溫度設(shè)定為190℃，溫度每升高10℃，記錄一次數(shù)據(jù)。初始狀態(tài)模具溫度為51℃，油溫36℃，電網(wǎng)電壓為415V，升溫時的功率為8.4kW （其中水泵0.75kW，納米碳管7.65kW），保溫時的功率為5.2kW（其中模具溫度為180℃，水泵0.75kW，納米碳管4.45kW），實驗數(shù)據(jù)如圖6數(shù)據(jù)分析折線圖顯示。

由圖6數(shù)據(jù)分析折線圖可見，通過PID控制中，模具從50℃升至170℃所需時間約為40分鐘，繼續(xù)升溫，模具溫度維持在180℃左右，即為保溫狀態(tài)。根據(jù)所得的實驗數(shù)據(jù)計算，本系統(tǒng)節(jié)能效果能達到約為20%。

3 結(jié)語

本文選用PLC觸摸屏一體機作為納米碳加熱模組控制器，并利用PID控制方法來控制納米碳管加熱，從而控制控溫設(shè)備溫度。通過實驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明，本系統(tǒng)的設(shè)計有效地針對目前工業(yè)上高能耗的油溫機，很好地控制溫度，滿足控制精度要求，達到節(jié)能減排目的。

參考文獻：

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