基于PLC的液压机电加热控制系统设计

基于PLC的液压机电加热控制系统设计

马立江

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摘要：液体温度控制主要采用PID的控制方式。具有原理简单、使用方便、适应性强、鲁棒性强、稳定性好、易于实现等优点，但是在温度控制过程中，系统参数不断发生变化，控制过程具有滞后性，常规的PID控制系统很难达到预期效果，而模糊控制是采用模糊数学语言描述的控制规律来操纵系统工作的控制方式，不依赖数学模型，PID控制和模糊控制两种方法相结合可以达到优势互补而且可以减小控制过程中的误差，可以应用在不同的控制系统中。

关键词：PLC；液压机；电加热控制

1系统整体结构

系统整体装配结构温度传感器负责采集流入功率设备的冷却液温度，控制系统调温功能通过温控活门实现。系统通过控制三通活门的开度来调节冷热液体混合比例，将流经功率设备的冷却液温度维持在设定值±1℃范围内。冷却液流经功率设备时，与设备完成热交换，带走设备的部分热量，使设备温度保持在设置范围内。以PLC为核心，通过模糊PID方法对管道冷却液进行温度控制，PLC对温度传感器采集到的信号进行处理，在对比预设温度后，控制温控活门开启角度，改变冷热液体混合比例，从而达到温度控制的目的。

2硬件设计

2.1PID模糊控制器

本方法选取PID模糊控制器进行模糊算法的提前设定，由于OID模糊控制器需要PIC算法辅助，因此针对这种情况，需要将两种控制算法结合在一起，结合主要有以下两条途径：第一种途径称为模糊控制器与自动程序混合，从而建立的控制体系，第二种就是利用混合结构，规定模糊控制器的具体参数，这两种途径的选用主要依照的是误差值，通过误差值选取恰当的途径来进行控制，从而修改或者调整PID模糊控制器。在设置模糊控制器的同时，发现了该控制器在控制时无法保证时间的同步程度，因此产生了很多误差，因此在进行调试前，首先需要对模糊控制器的语言值进行规划，因为随着计算量的增加，控制将变得越来越难，因此在解决控制时拥有时效差导致的误差问题时需要采用分段计算的方法，一旦检测到控制时的误差增加，即马上提升整体的反应速度，切换控制渠道，将精度准确提升。

2.2温度传感器

首先需要选择温度传感器的材料，根据其特异性选取的温度传感器是热电阻，该方法具有高灵敏度，且在运行时不易发生问题，具有可靠性，设置其电流信号的范围在4至20mA之间，进行综合测温，尽量避免输出干扰。

2.3PLC上下位控制器

上下位控制器选用的是PIC算法的上下位控制器，其中，下位部分在控制时需要将整个控制器内部设置成PIC算法驱动，从而实现上下位机的整体控制，除此之外，该控制器具有采集运算，判断输出基本逻辑的功能。进行实时保护，因此调试时需要使用S7-300PLC端口，其结构由电源单位、中央处理接口、信号通信模块等组成。

3软件设计

3.1采集液压机电加热温度

利用双金属温度计来完成液压机电加热温度的采集，采集主要通过其温度波动值的变化来进行传输，传输出的液压机电加热温度值还需要进行统一对比。测量中低温度的现场检测仪表，可用于气体、液体和固体表面三者温度的测量。

3.2基于PLC设置液压机电加热上位程序

CPU模块参数设置的原因是系统必须调用PLC功能块，而PLC功能块必须放在周期性中断块中，以保证PLC程序调用时间间隔的准确性，便于PLC采样周期的调整。默认时间间隔为100ms。另一方面，采样周期也不能太短，惯性温控大的采样周期可以是几十秒。这里设置的时间间隔基本是100ms，其次是设置输入信号参数，设置输出信号参数后，还需要设置晶闸管稳压器的电流信号。

3.3制作液压机电加热控制画面

制作液压机电加热控制画面，需要首先调控界面的控制画面，以此来反映温度管理系统的运行状态，在整个温度控制显示的界面处，将整个控制区间的阈值提前进行调控，并根据调控的状态来切换电加热的控制画面，观察电加热控制画面中的警戒灯，保证对电加热中的控制异常问题进行提前识别，并快速解决。

3.4实现基于PLC的液压机电加热控制

液压机的控制整体是基于警报设施来实现的，警报设施会在温度超出规定指标时，将温度信息转化成警报信息，并要求操作员通过发出的警报来及时作出响应。事件记录了系统各种状态的变化以及用户的相应动作。警报通过人机界面系统显示和定义。设置报警所需的数据是加热的温度值。当液压机的温度达到警戒值时，优先报警，当温度达到设定值时，也会触发报警。报警显示由报警定义和显示画面组成，在配置警报设施之前，需要提前测定每个警报设施的正常工作参数，保证警报器能正常工作。

3.5模糊PID控制

传统的PID控制器是目前应用最广的控制方法之一，虽然控制效果比较好，但是在受控变量变化范围较大时，参数难以确定，导致控制速度慢、精度低，使得控制器不能维持在稳定高效的状态，影响控制效果。由于液体温度控制具有大惯性、多变量以及时变参数等特性，采用传统的PID控制方法难以精确建立数学模型。而模糊控制不要求有精确的数学模型，PID控制又刚好可以消除模糊控制过程中产生的稳态误差。模糊PID控制的核心在于模糊控制器的设计，其设计流程主要分为模糊化、知识库、模糊推理、解模糊4个部分。

一是模糊化。模糊化是指对输入的变量和输出的结果进行模糊化，即将精确的数值转化为使用模糊域描述的模糊值。通过传感器采集到的数据经计算得出温度误差和误差变化率，模糊子集分为7个等级，取{NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)}，输入和输出的变量就可以用以上7个等级来描述。

二是知识库和模糊推理。模糊控制知识库是根据实验人员的经验，结合系统稳定性以及相应速率变化情况总结出的控制规律。偏差较小时，应取较大的Kp和Ki，以便系统获得良好的稳态性能，为了抑制震荡，提高系统的抗干扰性和稳定性，选取适当的Kd值。偏差中等时，系统响应较快，应取较小的Kp和适当的Kd，Ki，以便降低系统的超调量。偏差较大时，系统响应速度慢，需要一个大的Kp来加快系统的启动时间。

三是解模糊。由模糊控制器输出的数据是模糊值，但系统必须由确切的数值来控制。所以就需要通过解模糊来将模糊量转化为确切的量。

4实验结果及分析

为了检测本文设计的系统是否可以满足目前的控制环境，并且能否将温度控制在标准值范围内，进行了如下实验。

4.1实验准备

在手动模式下，不需要执行编译进PLC的分机程序的自动控制程序，只执行数据采集和最终信号的传输，在正常运行状态下，采集各个时刻的温度。

4.2实验结果与讨论

随机选取10组不一样的温度数值，设置其标准数值，用本文设计的基于PLC的液压机电加热控制系统对其温度进行控制，记录控制后的温度数值在正常的范围内，因此可以达到预期目标，能准确地控制液压机温度。

5结束语

综上所述，本文设计的基于PLC的液压机电加热控制系统对于保证液压机在工业生产中实现生产有序进行起着重要作用，可以保证生产时的温度控制在指标内，对维持生产线安全有重要意义，进行试验结果表明，系统可以很好地实现预期目标，但由于实验时可能存在一定的误差，因此还需要在后续的测试中不断进行改进。

参考文献：

[1]基于西门子PID＿temp的汽车内饰液压机电加热控制系统设计[J].谭波,吴艳芳.锻压装备与制造技术.2020(01)

[2]基于PLC的插销式液压升降台控制系统设计与研究[J].张学礼,郝磊,闫树军,赵翔彦,介艳良.液压气动与密封.2021(08)