基于PID算法的熱熔膠溫度控制

王冠華，陳忠祥

（紅云紅河煙草（集團）有限責任公司會澤卷煙廠，云南曲靖 654200）

0 引言

KDF2 成型機應用于煙草行業(yè)的濾棒生產(chǎn)。早期的設備主要采用繼電器系統(tǒng)控制，停機頻次較高，其中熱熔膠的停機問題尤為明顯。熱熔膠溫度波動過大，引起膠水夾帶氣泡，導致濾棒粘接不牢，造成跑條，嚴重影響設備的有效作業(yè)率。本文在研究現(xiàn)有成型機熱熔膠系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對熱熔膠控制系統(tǒng)進行升級，使用Siemens S7-300 PLC 精確控制熱熔膠的溫度。

1 熱熔膠系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)介紹

KDF2 成型機熱熔膠系統(tǒng)的作用是粘接濾棒成型紙的接縫，其主要介質(zhì)是熱熔膠，常溫下呈白色固體狀，經(jīng)加熱后變成液體，經(jīng)過由電磁離合器和齒輪泵組成的輸送系統(tǒng)后，將其涂覆在成型紙的邊緣，然后通過煙槍將成型紙和濾棒卷制成型，由冷卻系統(tǒng)冷卻，快速固化熱熔膠，從而形成穩(wěn)定的搭邊。

熱熔膠系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括預熱膠箱、熔化室、輸送泵、軟管、噴嘴、紙張加熱和輔助加熱。當熱熔膠在熔膠罐中融化后，通過齒輪泵將其送至膠管，最后由膠嘴散布在紙帶上。

1.2 控制原理

溫度控制是開關(guān)式控制，由溫度控制器實現(xiàn)，如圖1 所示。溫控系統(tǒng)包括溫度控制器N、溫度傳感器Pt100、溫度調(diào)節(jié)旋鈕R1、加熱器R 和固態(tài)繼電器V 等。加熱部件內(nèi)部安裝加熱器和溫度傳感器，加熱器的作用是加熱工作部件，溫度傳感器的作用是檢測工作部件的溫度。在整個加熱系統(tǒng)中，溫度控制器是控制核心，它對比溫度調(diào)節(jié)旋鈕的設定值和溫度傳感器的實際檢測值：如果實際溫度值低于設定值，溫控器發(fā)出信號，接通固態(tài)繼電器，則加熱器加熱；如果實際溫度高于設定值，則加熱控制信號斷開。這種控制方式精度低，溫度波動范圍大，膠水中存有氣泡，導致熱熔膠粘接不良，廢品率較高，造成原輔材料大量浪費。

圖1 溫度控制原理

2 熱熔膠控制系統(tǒng)設計

PID 代表比例（P）、積分（I）和微分（D），將三者線性組合構(gòu)成控制量，由這一控制量對被控對象進行控制。本文使用Siemens S7-300 PLC 編寫溫度控制功能塊。根據(jù)溫度偏差，按照PID算法進行處理后，輸出固定周期的脈沖寬度調(diào)制信號，控制固態(tài)繼電器的接通時間，從而調(diào)節(jié)熱熔膠系統(tǒng)的加熱時間，準確控制溫度。

2.1 方案設計

在實際生產(chǎn)過程中設備時停時開，手動添加熱溶膠原料，電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定。這些因素導致受控對象的實際溫度與目標溫度之間存在較大偏差。因此，整個過程需要調(diào)整和控制。

系統(tǒng)可分為兩個工作間隔，第一個工作間隔是啟動階段和手動加膠初期階段。此時，當系統(tǒng)輸出與設定值明顯差異時，控制的目的是盡快減少輸出與設定值之間的差距；第二個工作間隔為正常工作階段，一旦系統(tǒng)輸出接近設定值的允許誤差范圍，控制目的是生產(chǎn)期間的輸出盡可能保持在該范圍內(nèi)。以上兩個工作間隔的劃分根據(jù)偏差E 確定，E 的閾值需要根據(jù)操作員的經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試確定。

為更快達到溫度設定值，設計方案為：當||e||≥E，控制量取Um或0 實行開關(guān)控制；當||e||＜E，采用PID算法提高控制精度，使其響應超調(diào)小，甚至無超調(diào)，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 溫度控制

2.2 功能實現(xiàn)

2.2.1 PID 模塊和功能塊FB50

S7 編程軟件中，PID包含F(xiàn)B41（CONT_C）、FB42（CONT_S）和FB43（PULSEGEN）等3 個功能塊。其中，F(xiàn)B41 用于連續(xù)控制，F(xiàn)B42 用于步進控制，F(xiàn)B43 用于脈沖寬度調(diào)制，通常與FB41結(jié)合使用。

結(jié)合PID 模塊，編寫溫度控制功能塊FB50，使用梯形圖或語句表語言在FB50 功能塊中進行編程，通過調(diào)用FB41 和FB43 來實現(xiàn)溫度控制PID算法。根據(jù)輸入變量（如設定點、反饋量）和設定參數(shù)（如積分時間、微分時間、比例常數(shù)），輸出脈沖寬度調(diào)制信號，通過PLC 的I/O 口控制固態(tài)繼電器的輸入端線圈，固態(tài)繼電器輸出端連接電烙鐵，由線圈的通斷時間控制電烙鐵通斷時間，實現(xiàn)溫度控制。

2.2.2 系統(tǒng)調(diào)試

PID算法控制規(guī)律表達式為

溫度調(diào)節(jié)主要通過調(diào)節(jié)PID算法的比例常數(shù)Kp、積分時間常數(shù)TI和微分時間常數(shù)TD等3 個參數(shù)實現(xiàn)。本文PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)選擇試湊方法。只調(diào)整比例部分，即將Kp由小變大，并觀察相應的系統(tǒng)響應，直到獲得快速響應和超調(diào)小的響應曲線；如果系統(tǒng)響應滿足要求，則Kp由此確定，若響應曲線不符合要求，如系統(tǒng)存在靜態(tài)誤差，則增加積分環(huán)節(jié)。先將TI設置為一個較大的值，并適當降低已經(jīng)設置的Kp，然后降低TI。在這個過程中，Kp和TI可根據(jù)響應曲線反復修改。如果通過比例積分消除了靜態(tài)誤差，但經(jīng)反復調(diào)整，動態(tài)過程仍然不能令人滿意，則增加微分環(huán)節(jié)，首先將TD設置為零，然后逐步增大。

整定中，參數(shù)的選定是多變的，在Kp、TI和TD等3 部分共同作用下，其中某部分的增大可由其他部分的減少來抵消，故需反復調(diào)試，達到最優(yōu)控制效果。

3 結(jié)束語

KDF2 成型機的生產(chǎn)效率在很大程度上取決于熱熔膠系統(tǒng)，其溫度控制不理想是導致機組故障停機的主要因素之一，溫度控制方法多種多樣。本文提出的PID 溫度控制功能塊是基于PID算法的溫度控制方法，采用西門子S7-300 PLC 提供的PID功能塊，調(diào)用簡單、參數(shù)調(diào)整方便，大大提高了溫度控制的準確性和可靠性。