納米碳加熱膜式節能油溫機控制系統設計

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能油溫機控制系統。該系統選用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，該系統溫度控制穩定，超調量小，可用于多種工業溫度控制場合。

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.

關鍵詞： 比例-積分-微分控制（PID）；溫度控制；納米碳加熱膜節能；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）在工程領域中具有以下優點：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，因此被普遍應用于現代化的工業控制領域中[1]。它采取一種可編程的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令[2]，通過數字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產過程[3]。目前，工業上經常使用的加熱控制方式有以下3種：脈沖寬度調制（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、缺點，根據其優缺點相應地被應用于不同的控制場合[4]。PWM控制的具有加熱速度快的優點，但因其超調量較大且控制精度不高，因此常應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，并且通常會出現大超調的情況，然而隨著時間的增加，會逐漸趨于穩定，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，即對參數擾動的不敏感性，在對象發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。

納米碳加熱膜式節能油溫機自帶一個儲油箱，導熱油在工作時由儲油箱流入系統，通過循環泵打入到被控溫的設備，待被控溫設備溫度穩定在設定值后，導熱油流出被控溫設備并返回到儲油箱內，這樣循環往復直至系統停止運行，期間對溫度不停地進行測量與數據讀取。由于油溫機溫度控制具有時變性，且要求控溫設備保持恒溫狀態，經比較了上述3種加熱控制方法后，本系統采用PID控制。

在節能減排的大背景下，目前工業用油溫機節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、綠色環保的新型的材料——納米碳，用于設備加熱。

結果表明，本項目主要針對工業上高能耗的油溫機，結合新型納米納米碳加熱膜式發熱器件以及智能溫控技術，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 納米碳加熱膜式節能油溫機控制系統設計

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 ℃。納米碳加熱膜式節能油溫機控制系統要求能精確地實現加熱時間控制和溫度控制，并且要求溫度穩定在所設定的溫度值，即控溫設備恒溫不變，溫度誤差要求為±1℃。

1.1 納米碳加熱模式節能油溫機控制系統設計

本文設計的納米碳加熱膜式節能油溫機的控制系統由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，整體設計根據油路圖來完成，同時在人機界面顯示屏上模擬油路圖界面，在該界面上，可以看出在系統運行時，各個環節的溫度、電壓、電流、壓力情況以及高溫導熱油所流經之處，如圖1納米碳加熱膜式節能油溫機高溫導熱油路徑流向圖（即觸摸屏主界面圖）所示，并且本文分別考慮了系統自動控制和手動控制兩個方面。本系統的電氣圖和設備接線圖如圖2納米碳加熱膜式節能油溫機系統電氣圖和圖3納米碳加熱膜式節能油溫機系統設備接線圖所示。

其中，納米碳管為納米碳加熱膜式納米加熱器的主要結構，其成分為管狀的納米級石墨晶體，即石墨片環繞中心軸呈螺旋角，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電性、極高的強度和韌性以及很高的熱穩定性。納米碳加熱器可直接進行熱傳導，加熱均勻，且性能穩定，安全可靠。納米新型電加熱技術節能效率達50%以上，符合節能環保理念。

本系統使用的高溫導熱油是一種高效的熱量傳遞媒介，在常壓狀態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，有效地提升系統的熱效應并且達到節能目的，因而適用于多種場合。

1.2 納米碳加熱模式節能油溫機控制系統邏輯設計

納米碳加熱膜式節能油溫機控制系統要求溫度維持在一定的數值上，并且能夠快速且準確地實現對其控制，具有較強的抗干擾能力，超調量不易過大，因此本文經過反復推敲試驗決定使用PID控制的方法來實現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）和當前設定溫度（即PID指令中的SV項）進行比較，所得到的偏差經過PID調節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，從而實現對溫度的控制。

其控制過程如下：當實際溫度低于設定溫度時，實際溫度與設定溫度的偏差增大，經過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，當實際溫度高于設定溫度時，實際溫度與設定溫度的偏差變小，經過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，啟動系統冷卻功能，溫度下降。

本文中在系統剛開始運行時，第一步是設定各個參數，然后按系統流程圖（圖4流程圖）運行程序。待油溫機運行2-3分鐘后，即高溫導熱油流量壓力穩定時，開始實時監測控溫設備的溫度，并和設定溫度進行比較，通過PID控制來相應地調節加熱管動作。

2 界面設計及仿真分析

2.1 納米碳加熱模式節能油溫機控制系統人機觸摸屏界面

本文利用中達優控公司研發的人機界面編程軟件YKHIM5.0，設計了納米碳加熱膜式節能油溫機的人機界面圖，并在顯示屏上模擬顯示油路流向，具體的數據顯示如圖5數據顯示界面圖，手動界面與自動界面類似，區別在于界面右側的設備運行狀態可以手動點擊設置。

2.2 數據結果分析

本系統測試實驗著重于測試系統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定后，開始加溫測試，溫度設定為190℃，溫度每升高10℃，記錄一次數據。初始狀態模具溫度為51℃，油溫36℃，電網電壓為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），實驗數據如圖6數據分析折線圖顯示。

由圖6數據分析折線圖可見，通過PID控制中，模具從50℃升至170℃所需時間約為40分鐘，繼續升溫，模具溫度維持在180℃左右，即為保溫狀態。根據所得的實驗數據計算，本系統節能效果能達到約為20%。

3 結語

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，從而控制控溫設備溫度。通過實驗數據結果表明，本系統的設計有效地針對目前工業上高能耗的油溫機，很好地控制溫度，滿足控制精度要求，達到節能減排目的。

參考文獻：

[1]劉斌，趙丹丹.基于組態王的PLC溫度控制系統設計[J].黑龍江：黑龍江科技信息，2015（24）：158.

[2]鄭亞紅.圖解PLC梯形圖[M].遼寧：遼寧科學技術出版社，2013.

[3]吳明亮.可編程控制器原理與應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2011.

[4]陸希望，王權.基于PLC技術的電熱毯遠程控制系統研究[J].赤峰學院學報，2014（10）：21-24.

[5]葉永祥，張旭寧.基于歐姆龍PLC的調節自動化技術與應用[J].2009，28（7）：71-74.