| 标题 | 纳米碳加热膜式节能油温机控制系统设计 |
| 范文 | 徐圣颉 李彬彬 王志刚 郭幸 摘要： 研究了基于三菱PLC自带的PID控制模块的纳米碳加热膜式节能油温机控制系统。该系统选用PLC触摸屏一体机作为纳米碳加热材料控制器，利用三菱PLC自带的PID控制模块来控制纳米碳加热膜式纳米加热器。样机实验表明，该系统温度控制稳定，超调量小，可用于多种工业温度控制场合。 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. 关键词： 比例-积分-微分控制（PID）；温度控制；纳米碳加热膜节能；油温机硩 Key words： Proportion-Integral-Derivative（PID）；temperature control；nanometer carbon heating film energy saving；oil temperature machine 中图分类号：TK323 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）19-0134-04 0 引言 可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）在工程领域中具有以下优点：可靠性高、抗扰动能力强、编程简单易懂、功能强大、性价比高、使用简便等等，因此被普遍应用于现代化的工业控制领域中[1]。它采取一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令[2]，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程[3]。目前，工业上经常使用的加热控制方式有以下3种：脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）、比例-积分-微分控制（Proportion-Integral-Derivative，PID）以及模糊控制，它们各自有其优、缺点，根据其优缺点相应地被应用于不同的控制场合[4]。PWM控制的具有加热速度快的优点，但因其超调量较大且控制精度不高，因此常应用于对控制精度要求不高的场合[5]；在控制过程中虽然难以确定PID控制的参数，并且通常会出现大超调的情况，然而随着时间的增加，会逐渐趋于稳定，故加热时间较长，一般用于对加热时间没有要求的场合；而模糊控制对时变的负载具有一定的鲁棒性特点，即对参数扰动的不敏感性，在对象发生较大扰动时仍能获得良好的控制效果，因此特别适用于非线性、滞后等不完全系统的控制，通常用于控制精度较高且对时间没有要求的场合。 纳米碳加热膜式节能油温机自带一个储油箱，导热油在工作时由储油箱流入系统，通过循环泵打入到被控温的设备，待被控温设备温度稳定在设定值后，导热油流出被控温设备并返回到储油箱内，这样循环往复直至系统停止运行，期间对温度不停地进行测量与数据读取。由于油温机温度控制具有时变性，且要求控温设备保持恒温状态，经比较了上述3种加热控制方法后，本系统采用PID控制。 在节能减排的大背景下，目前工业用油温机节能减排的压力日益增大，因此本项目使用了一种加热时间短、升温速度快、功耗低、绿色环保的新型的材料——纳米碳，用于设备加热。 结果表明，本项目主要针对工业上高能耗的油温机，结合新型纳米纳米碳加热膜式发热器件以及智能温控技术，具有强大的自诊断功能，安全保护功能齐全，温度控制满足精度高的要求。 1 纳米碳加热膜式节能油温机控制系统设计 本文油温机采用加热器的功率为6kW，380V AC供电，供热媒介为高温导热油。纳米碳加热膜组功率为9kW，纳米碳管为星型接法，其阻值为16Ω、17ΩΩ、17Ω。加热的最高温度为200 ℃。纳米碳加热膜式节能油温机控制系统要求能精确地实现加热时间控制和温度控制，并且要求温度稳定在所设定的温度值，即控温设备恒温不变，温度误差要求为±1℃。 1.1 纳米碳加热模式节能油温机控制系统设计 本文设计的纳米碳加热膜式节能油温机的控制系统由PLC触摸屏一体机、温度传感器、压力传感器、电流传感器、电压传感器、纳米碳加热膜式纳米加热器等组成，整体设计根据油路图来完成，同时在人机界面显示屏上模拟油路图界面，在该界面上，可以看出在系统运行时，各个环节的温度、电压、电流、压力情况以及高温导热油所流经之处，如图1纳米碳加热膜式节能油温机高温导热油路径流向图（即触摸屏主界面图）所示，并且本文分别考虑了系统自动控制和手动控制两个方面。本系统的电气图和设备接线图如图2纳米碳加热膜式节能油温机系统电气图和图3纳米碳加热膜式节能油温机系统设备接线图所示。 其中，納米碳管为纳米碳加热膜式纳米加热器的主要结构，其成分为管状的纳米级石墨晶体，即石墨片环绕中心轴呈螺旋角，形成六边形圆面平面，是一种无缝的纳米级管。理论和实验研究表明，纳米碳管具有特异的导电性、极高的强度和韧性以及很高的热稳定性。纳米碳加热器可直接进行热传导，加热均匀，且性能稳定，安全可靠。纳米新型电加热技术节能效率达50%以上，符合节能环保理念。 本系统使用的高温导热油是一种高效的热量传递媒介，在常压状态下就能很好地被加热至所需温度，能满足极宽的温度范围，传热效果良好，有效地提升系统的热效应并且达到节能目的，因而适用于多种场合。 1.2 纳米碳加热模式节能油温机控制系统逻辑设计 纳米碳加热膜式节能油温机控制系统要求温度维持在一定的数值上，并且能够快速且准确地实现对其控制，具有较强的抗干扰能力，超调量不易过大，因此本文经过反复推敲试验决定使用PID控制的方法来实现对油温机的温度控制。 PID温度控制是一个反馈的过程，通过对实际温度（即PID指令中的PV项）和当前设定温度（即PID指令中的SV项）进行比较，所得到的偏差经过PID调节器运算来获得控制信号的输出，由该输出来控制纳米加热膜组是否加热以及加热时间的长短，从而实现对温度的控制。 其控制过程如下：当实际温度低于设定温度时，实际温度与设定温度的偏差增大，经过PID控制器运算输出的脉冲宽度增大，控制加热膜组加热，加热时间增加，温度上升。反之，当实际温度高于设定温度时，实际温度与设定温度的偏差变小，经过PID控制器运算输出的脉冲宽度减小，控制加热膜组减缓加热，减少加热时间直至停止加热，启动系统冷却功能，温度下降。 本文中在系统刚开始运行时，第一步是设定各个参数，然后按系统流程图（图4流程图）运行程序。待油温机运行2-3分钟后，即高温导热油流量压力稳定时，开始实时监测控温设备的温度，并和设定温度进行比较，通过PID控制来相应地调节加热管动作。 2 界面设计及仿真分析 2.1 纳米碳加热模式节能油温机控制系统人机触摸屏界面 本文利用中达优控公司研发的人机界面编程软件YKHIM5.0，设计了纳米碳加热膜式节能油温机的人机界面图，并在显示屏上模拟显示油路流向，具体的数据显示如图5数据显示界面图，手动界面与自动界面类似，区别在于界面右侧的设备运行状态可以手动点击设置。 2.2 数据结果分析 本系统测试实验着重于测试系统自动运行情况下油温机的升温和保温特性，对两个模具做加热测试（管腔式），纳米碳加热模组功率为9kW。测试方法为当油压稳定后，开始加温测试，温度设定为190℃，温度每升高10℃，记录一次数据。初始状态模具温度为51℃，油温36℃，电网电压为415V，升温时的功率为8.4kW （其中水泵0.75kW，纳米碳管7.65kW），保温时的功率为5.2kW（其中模具温度为180℃，水泵0.75kW，纳米碳管4.45kW），实验数据如图6数据分析折线图显示。 由图6数据分析折线图可见，通过PID控制中，模具从50℃升至170℃所需时间约为40分钟，继续升温，模具温度维持在180℃左右，即为保温状态。根据所得的实验数据计算，本系统节能效果能达到约为20%。 3 结语 本文选用PLC触摸屏一体机作为纳米碳加热模组控制器，并利用PID控制方法来控制纳米碳管加热，从而控制控温设备温度。通过实验数据结果表明，本系统的设计有效地针对目前工业上高能耗的油温机，很好地控制温度，满足控制精度要求，达到节能减排目的。 参考文献： [1]刘斌，赵丹丹.基于组态王的PLC温度控制系统设计[J].黑龙江：黑龙江科技信息，2015（24）：158. [2]郑亚红.图解PLC梯形图[M].辽宁：辽宁科学技术出版社，2013. [3]吴明亮.可编程控制器原理与应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2011. [4]陸希望，王权.基于PLC技术的电热毯远程控制系统研究[J].赤峰学院学报，2014（10）：21-24. [5]叶永祥，张旭宁.基于欧姆龙PLC的调节自动化技术与应用[J].2009，28（7）：71-74. |
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