電鍍生產中的PLC節能控制模型的設計研究

黃永杰

(廣西職業技術學院 計算機與電子信息工程系，廣西 南寧　530226)

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電鍍生產中的PLC節能控制模型的設計研究

黃永杰

(廣西職業技術學院 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中，存在能耗過高的問題。建立一種應用到電鍍生產中PLC節能控制的模型。分析了在以PLC作為電鍍生產控制核心的過程中產生能耗的原因，將監測到的各環節能損耗關系量化，在此基礎上計算出電鍍生產中的電能消耗最低時，鍍鉻槽的最優參數，并結合參數建立PLC節能控制模型。實驗仿真證明，將PLC控制模型運用在電鍍生產中，可以達到降低能耗的目的。

關鍵詞:電鍍； 節能控制； PLC自動控制

Keyword: electroplating; Energy saving control; PLC automatic control

引言

在國內電鍍行業中，如何降低生產過程中的能源消耗逐漸成為很多電鍍企業越來越重視的一個課題[1-3]。經研究發現，只要電鍍企業實行嚴格的科學管理，綜合衡量電鍍設備和工藝的選擇，對電鍍生產過程進行有效的控制，完全可以達到節約能源，降低電鍍成本的目的[4-6]。然而，當前的電鍍節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)算法的電鍍生產節能控制方法。該方法依據電鍍生產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]采用神經網絡算法對電鍍生產中的能耗進行控制。該方法先建立神經網絡控制模型，求取能耗輸入向量與權向量的內積后，經一個非線性傳遞函數得到一個節能控制結果，利用該結果實現了電鍍生產中節能控制。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)算法的節能控制。該方法用LMS濾波得到電鍍生產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中節能控制。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中PLC節能控制的模型。分析了以PLC作為電鍍生產核心過程中，產生能耗的原因，將監測到的各環節能損耗關系量化，在此基礎上計算出電鍍生產中的電能消耗最低時，鍍鉻槽的最優參數，結合參數建立PLC節能控制模型。

2能耗問題分析與參數選取

當前的電鍍生產自動化控制中，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，在電鍍生產過程中的主要電路狀態穩定時，CMOS反相器中產生漏電流，它是產生靜態功耗的主要原因。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反相器的靜態功耗，Pa為雜波漏電流，PC為雜波靜態漏電流，PT為雜波動態漏電流。

亞閾電流是電鍍生產過程中產生能耗的另一個主要原因。它是當電鍍生產PLC設備處于不工作狀態時，源級和漏極之間的電流，電鍍生產中的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。

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，其他參數同公式(2)。

3新節能控制模型在電鍍生產中的應用

3.1能耗關系矩陣的建立

在電鍍生產過程中，在建立節能控制模型之前，需要結合三個能耗參數求出電能消耗矩陣。利用該矩陣描述電鍍生產過程中各環節間的能耗關系，完成最優控制。

關系矩陣的計算步驟，假設由∑Q代表電鍍生產中的所有的能耗，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為控制經驗參數，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，設計電鍍生產過程中的能耗控制模型。假設電鍍生產處于平穩的過程，忽略環境因素產生的干擾能耗，以上述描述電鍍生產過程中各環節間的關系矩陣為依據，則鍍槽PLC控制中的能耗模型可以表述為：

(6)

式中a1、b1、c1分別代表電鍍生產中的三個能耗參數關系矩陣，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電壓節能控制的實現

在電鍍生產的節能控制過程中，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中的電能消耗最低時，獲取鍍鉻槽的最優參數的問題，轉化為電壓消耗最低時，計算鍍鉻槽的最優參數問題。

電壓協調控制的目標是根據電力系統運行狀態制定合理的調壓措施，在確保電壓穩定的前提下防止控制器冗余和無序調節。

在電鍍生產中，以3.2建立的基于關系矩陣的能耗控制模型的基礎上，在確保電壓穩定的前提下，在固定時間間隔內，調節鍍鉻槽電壓，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，實現電鍍生產中的節能，具體的步驟如下詳述。

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

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

(7)

式中K為后期的主要調節參數。

在K的基礎上，完成控制模型的PLC電壓節能控制，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節能控制模型保持平穩狀態，完成當前控制；若t1時刻不存在穩定平衡點，則轉到第二步。

2)求解電壓協調控制模型，得到控制周期內各采樣點處最優控制模型電壓參數序列(Δk(1|n),Δk(2|n),…,Δk(n|n))。

3)在tn時刻將最優控制序列中的第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)如果電壓穩定，重復上述步驟1，否則，繼續迭代計算，直到穩定。

其中，tn為第n個控制周期初始時刻，Δk為控制輸入調節參數，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，以實現節能目標。

4實驗與測試

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

圖1　實驗環境

4.1實驗(1)

分別采用本文的模型與傳統的PID控制方法進行電鍍生產中的總線控制實驗，將不同模型節能控制的控制超調量進行對比，對比結果見圖2。

圖2　不同模型仿真曲線對比

從圖2實驗結果能夠得知，相對于傳統模型，本文的改進模型進行的電鍍生產中節能控制產生的超調量更小，其控制過程可靠度高，節能控制響應時間較短，電鍍工藝更優良。

4.2實驗(2)

分別采用傳統模型和改進模型進行電鍍生產中節能控制實驗。在不同的實驗次數下，將2種模型的控制運行時間、節能結果和控制穩定性進行對比，對比結果見表1、表2。

表1傳統PID模型的節能控制性能

實驗/次t控制運行/s節能控制精確度/(%)節能控制穩定性/(%)53.457.385153.675.681353.678.083455.127.685556.434.484656.439.082

表2改進模型的節能控制性能

實驗/次t控制運行/s節能控制精確度/(%)節能控制穩定性/(%)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中節能效果要優于傳統模型，這主要是因為改進模型先對電鍍生產中消耗的所有電能進行詳細的計算,建立電鍍生產中的電能消耗矩陣,利用該矩陣描述電鍍生產過程中各環節間的電能損耗的模型,以獲取的結果為依據建立了電鍍生產中的PLC節能控制模型，從而保障了改進模型節能控制的有效性。

4.3實驗(3)

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

圖3　干擾情況下不同模型節能控制效果

從圖3中可以說明，改進模型的魯棒性較強，電鍍生產中節能控制穩定狀態較好，充分表明改進模型在電鍍生產中節能控制性能。

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

5結束語

針對采用當前的模型進行電鍍生產中的節能控制時，難以建立精確的電鍍生產中的節能控制模型,存在電鍍生產中節能控制誤差大的問題。提出了一種結合PLC的電鍍生產中節能控制方法。實驗仿真證明，基于PLC的電鍍生產中節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