汽車涂裝過程脫脂液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高 恒，徐兆蓮，毛永康，曹玉波*

(1.吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院,吉林 吉林 132022；2.遼寧中集哈深冷氣體液化設(shè)備有限公司 技術(shù)中心,遼寧 開原 150000)

脫脂是涂裝車間預(yù)處理部分的第一道工序，主要是利用脫脂劑對(duì)油脂進(jìn)行皂化、乳化和分散，從而去除車身表面的各種油脂、灰塵和金屬粉末.在脫脂生產(chǎn)環(huán)節(jié)，脫脂液溫度是影響車身脫脂效果的重要因素，控制脫脂液溫度保持在工藝要求的范圍內(nèi)，是脫脂過程自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要內(nèi)容[1-3].某汽車涂裝脫脂處理過程池液溫度控制系統(tǒng)原設(shè)計(jì)采用的是單回路控制方式，生產(chǎn)過程中由于溫度控制滯后較大，車身進(jìn)入脫脂池后對(duì)池液溫度干擾較為劇烈，溫度控制效果并不是很理想.本文設(shè)計(jì)了脫脂液溫度-熱水流量串級(jí)控制系統(tǒng)，運(yùn)行后有效地克服了進(jìn)車產(chǎn)生的干擾，提高了脫脂液溫度控制的穩(wěn)定性.

1 涂裝車間脫脂區(qū)工藝流程

某汽車生產(chǎn)廠涂裝車間脫脂區(qū)工藝流程如圖1所示.

圖1 脫脂液溫度控制工藝流程圖

自來水和純凈水分別經(jīng)KYP4和KYP3電磁閥對(duì)脫脂池進(jìn)行補(bǔ)水；LI101用于測(cè)量脫脂池液位；系統(tǒng)投入使用后，由水泵PV202將脫脂液從脫脂池底部抽出，經(jīng)加壓后一是供給循環(huán)回路進(jìn)行脫脂液循環(huán)，二是供給噴淋回路用于對(duì)車身噴淋；由水泵PV201將冷的脫脂液從脫脂池底部抽出，經(jīng)換熱器W101加熱后循環(huán)返回脫脂池，利用V86熱源水流量調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)脫脂液溫度定值自動(dòng)控制.

2 脫脂液溫度串級(jí)控制回路程序設(shè)計(jì)

如圖2所示為脫脂液溫度串級(jí)控制工藝流程圖，在冷車身進(jìn)入脫脂池清洗過程中，經(jīng)常對(duì)池液溫度控制造成干擾，致使控制回路產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定.采用常規(guī)PID控制器時(shí)，實(shí)際應(yīng)用中控制效果并不理想.研究表明，設(shè)置流量串級(jí)控制副回路有助于控制回路更好地克服外部進(jìn)入系統(tǒng)的干擾，有利于控制系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行[4-7].脫脂液溫度主控制器TIC101的輸出作為副控制器給定值，使FIC101按脫脂液溫度的要求而動(dòng)作，由此構(gòu)成溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng).熱源水通過W101換熱器對(duì)脫脂液進(jìn)行加熱，控制系統(tǒng)通過改變調(diào)節(jié)閥開度來調(diào)節(jié)熱源水回水流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)脫脂液溫度的控制.

圖2 脫脂液溫度串級(jí)控制工藝流程圖

串級(jí)控制系統(tǒng)PID方塊圖如圖3所示，流量變送器FT101用于測(cè)量熱源水回水實(shí)際流量；溫度變送器TT101用于檢測(cè)脫脂液溫度.在PLC程序TIC101主控模塊中，將脫脂液溫度設(shè)定值與測(cè)量值做差值運(yùn)算得到偏差e1，經(jīng)PID運(yùn)算后作為副控制器FIC101的輸入，最終的結(jié)果輸出給V86調(diào)節(jié)閥，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)脫脂液溫度的控制.

圖3 串級(jí)控制方塊圖

(1)主調(diào)節(jié)器算法

主控制器以偏差作為輸入，采用PID(比例積分微分)控制算法，其輸入輸出關(guān)系為[8-10]：

(1)

式中u1(t)為主控制器輸出；e1(t)為偏差；Kp、Ti、Td分別為比例系統(tǒng)、積分時(shí)間、微分時(shí)間.PLC系統(tǒng)程序掃描周期遠(yuǎn)小于被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)，因而可用求和代替積分，用差分代替微分將公式離散化，可得控制器第k次輸出：

(2)

同理可得控制器第k-1次輸出：

(3)

整理公式(2)、(3)后可得PID控制器增量算式：

(4)

(2)副調(diào)節(jié)器算法

考慮流量對(duì)象變化快，時(shí)間常數(shù)小，為提高副回路響應(yīng)的快速性，可采用比例控制算法，其輸入輸出關(guān)系為：

u2(t)=Kpe2(t) ,

(5)

利用差分來代替微分將公式離散化，可得控制器第k次輸出：

u2(k)=kpe2(k).

(6)

利用Step7-300編寫溫度-流量串級(jí)PID控制程序,如圖4所示.主回路采用比例積分微分控制算法，副回路采用純比例控制器，主回路PID控制器輸出值作為流量副回路的設(shè)定值，控制器運(yùn)算結(jié)果通過模擬量輸出通道傳送給調(diào)節(jié)閥，通過實(shí)時(shí)調(diào)整熱水流量，從而脫脂池溫度的定值自動(dòng)控制.

圖4 流量-溫度PID串級(jí)控制程序

3 人機(jī)操作界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)在控制系統(tǒng)中充當(dāng)操作員站的角色，主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能，采用WinCC7.4監(jiān)控軟件，設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，如圖5所示，監(jiān)控系統(tǒng)畫面可以對(duì)工藝中的溫度、流量、壓力等參數(shù)和工藝系統(tǒng)主要狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，工作人員通過運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)變化信息及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障問題.監(jiān)控系統(tǒng)能夠方便地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作，不同級(jí)別的人員可設(shè)置對(duì)應(yīng)的操作權(quán)限，當(dāng)監(jiān)控人員要進(jìn)行畫面監(jiān)控時(shí)，應(yīng)當(dāng)輸入賬戶密碼才能操作畫面，避免非監(jiān)控人員的錯(cuò)誤操作造成畫面的損壞和數(shù)據(jù)的丟失，保證了生產(chǎn)操作的安全性.當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，監(jiān)控人員能夠及時(shí)監(jiān)控并進(jìn)行故障處理.

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)畫面

4 控制系統(tǒng)應(yīng)用

常規(guī)PID和串級(jí)PID控制效果運(yùn)行曲線分別如圖6(a)、(b)所示.采用串級(jí)控制方案后，控制系統(tǒng)在設(shè)定值階躍變化時(shí)的跟蹤響應(yīng)性能有所提高，超調(diào)量有較為明顯的下降，系統(tǒng)過渡過程時(shí)間縮短，穩(wěn)定性得到提高.涼車身進(jìn)入池液時(shí)，致使脫脂液溫度快速下降，對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生較為劇烈的干擾，串級(jí)系統(tǒng)也能夠更為快速地進(jìn)行調(diào)整，對(duì)干擾產(chǎn)生的偏差及時(shí)進(jìn)行糾正.通過觀察，常規(guī)PID和串級(jí)PID控制系統(tǒng)都能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，但串級(jí)PID控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的快速跟蹤和克服擾動(dòng)的能力，當(dāng)設(shè)定值改變或進(jìn)車擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)在超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間等控制指標(biāo)方面均優(yōu)于常規(guī)PID控制方式.

時(shí)間/h(a)

時(shí)間/h(b)圖6 控制系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)比曲線

5 結(jié) 論

以西門子S7-300PLC為控制核心，設(shè)計(jì)了脫脂工藝自動(dòng)控制系統(tǒng).通過溫度-流量串級(jí)控制程序，有效地減小了換熱器熱水回水流量對(duì)脫脂液溫度的擾動(dòng)；利用WinCC搭建的人機(jī)交換界面良好，工作人員可以對(duì)控制過程進(jìn)行集中監(jiān)控，減輕了工作人員的工作強(qiáng)度.經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單，提高了脫脂過程生產(chǎn)效率.