翟青
上海烟草机械有限责任公司
(上海浦东新区金港路1041号邮编:201206)
Improvedcontrolofrod-chamberheatersystem
intheFilterRodProductionComplex
ZhaiQing
ShanghaiTobaccoMachineCo.,Ltd
No.1041,JingangRoad,PudongNewDistrict,Shanghai
Zip:201206
摘要:滤棒成型机组上的烟腔加热系统是一个相对独立于主控制系统的控制单元,它本身所采用的控制算法是造成稳态温度波动较大的根本原因。本文在介绍原先的控制系统及控制算法的基础上,重点说明了对该系统的技术改进。此外,本文还介绍了在设计过程中、在采用MATLAB软件模拟的基础上,实现对原系统的PLC控制方式和应用更为优秀的PWM控制算法。
关键词:滤棒成型机组成型腔加热器PWM控制
Abstract:Therod-chamberheaterisnotundercontrolofmainsysteminthefilter
ythetemperatureoftheheateris
perintroducestheformercontrolmethodand
s,thispaperalsodescribes
theapplicationoftheMATLABsoftwareandhowtodesign
thePWMcontrolsystem.
Keywords:filterrodproductioncomplexrod-chamberheaterPWM
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一、引言
随着国际健康组织(WHO)越来越多地对卷烟制品采取各种限定政策,卷烟生产设备的技术能力也就被迫不断提高。而滤棒成型机组作为卷烟生产中不可或缺的重要机组,其性能直接影响到了卷烟制品的最终质量。
在这当中,烟腔加热系统是保证胶水粘贴质量的决定性因素之一。该系统的工作状态直接影响到了滤棒的质量。然而在多数的滤棒成型机组中,该系统一直是沿用游离于核心控制系统的控制方式。同时,该系统在控制算法上采用的是“1/0”控制算法。
本文将介绍通过改变烟腔加热系统的控制方式和选择相对更合适的控制算法,进一步提高滤棒成型机组对滤棒成品的质量控制能力,从而实现对滤棒成型机组技术含量的提高。
二、滤棒成型机组的现有控制方式与控制算法
目前,ZL22D型滤棒成型机组的主控系统式由Siemens公司的PLC和Lenze公司的伺服系统组成。在这当中,烟腔加热系统是游离于核心控制系统之外的:整个加热系统是通过安装面板上的加热按钮来实现该系统的关断与否,并不依据中央控制器(主要是PLC)的指令。同时,它的设定温度是由该部件本身的感应片的受热膨胀系数所决定,不能够轻易调节。
如图1所示,R8为300W的加热单元,当机组运行时操作员按下面板上的按钮S3.3,烟腔加热系统处于允许加热状态。R8是否进行加热,实际上取决于S8.1的状态。S8.1是一组带接触点的热感应片,就安装在烟腔上。当感应片的温度低于某一温度时,接触片是闭合的,加热回路被接通,整个系统开始加热；而当烟腔温度上升到一定温度后,感应片受热膨胀,使得接触片分开,于是加热回路被断开,加热停止。由于感应片的受热膨胀与冷却收缩,就使得烟腔加热系统的温度可以保持在某一温度范围内。
但是,这样的设计实际上使得烟腔加热系统与核心控制系统并不同步,而且部件的机械损坏可能会造成加热系统的工作异常等问题或隐患。特别是考虑到人为因素的情况下,存在的问题或隐患就可能引起部件损坏甚至人员伤亡。
而在控制算法方面,感应片的控制算法是最简单的“1/0”控制算法。这就使整个系统的控制能力不强。这主要表现在整个系统的超调量很大,达到稳定状态的时间较短,稳定后的温度波动呈振荡状。这些情况虽不全部是负面的,但是其综合效应对于保证烟腔温度稳定是不利的,对于滤棒的产品质量也是有一定的不利。
就该系统而言:例如,在室温26℃的条件下、烟腔加热的设定温度为90℃时,整个温度加热系统的超调量达到了25~30℃,超调比率为27.8~33.3%,稳定时间约为200~260秒,稳态时的温度波动约为±10~15℃,系统响应时间约为60~80秒。具体见下表:
从上述数据和曲线图可以判断出以下两点:
1、该加热系统的控制算法不够理想,稳态温度波动大。
2、温度波动大就容易影响滤棒纸带的粘合质量,加大“脱胶”的概率。
三、新的控制方式和控制算法的筛选
鉴于原有独立的控制方式是存在隐患的,那么,新的控制方式就是要消除这一独立性。基于这种设计思想,新的控制方式就是将烟腔加热系统加载到机组的控制系统中。
从自动控制原理而言,任何加热系统都是经典“炉温控制系统”的继承或衍生。由此,对于这样一个烟腔加热系统,控制算法有很多种。而在本设计中,主要考察3种比较常用的控制算法方式,挑选出相对合适的一种。
控制算法1:回环控制
回环控制又名滞环控制或者回路控制,其控制理论曲线如下:
这是一种简单的控制算法,但控制能力不好,特别是该控制算法很容易发生输出结果的振荡状态。这种回环控制算法可以看作是对“1/0”控制算法的一种优化,是一种非常容易实现的控制方案,同时也是比较常用的一种方案选择。
控制算法2:PID控制
PID控制算法即比例积分微分控制。这是应用最广泛和适用性最好的控制算法,具有快速性好、稳定性强、准确性高的特点。
其传递函数为:
Kp+KdS+Ki/S
公式1PID控制的传递函数
其中Kp、Kd、Ki分别为比例、微分及积分系数。由于三个系数之间的关系是相互影响、相互制约,所以这种控制算法的最大问题在于其参数设置过程比较漫长,必须具有一定的自控知识才能够快速进行参数的调节。
控制算法3:PWM控制
PWM控制即脉宽调制控制(Pulse-Width-Modulation)。这是一种根据实际温度与设定温度的差值大小,以不同的占空比实施加热的控制算法。公式表述如下:
其中,T为控制周期,T1、T2、T3为有效周期(小于或等于T)。n表示设定值减去实际值的差,N1、N2、N3、N4表述差值的大小,f(n)为输入响应公式,F(n)为输出响应公式。该控制算法可以看作对PID控制算法的一种简化,在牺牲了一定控制能力的基础上,简化参数设置。
为了比较这3种控制算法的控制效果,设计者利用MATLAB软件进行3种控制算法的计算机仿真,其结果如下图。
图中蓝线为回环控制的响应曲线,红线为PWM控制,绿线为PID控制。在该图中,可以很容易地发现:PID控制的仿真效果较好,PWM控制的仿真效果次之,而回环控制的仿真效果最差。
不过,在要求最佳“性能—效果”的综合考虑下,设计者认为回环控制效果最差,而PID控制最难操作。而PWM控制相对具有两者之长,回避了两者之短。基于这样的判断,最后决定采用PWM控制。
四、控制方式和控制算法的设计
确定了控制方式和控制算法之后,下一步就是实现设计。在设计中依次采用了如下的步骤,完成对控制方式的更新和新控制算法的设计。
1.增加温度检测装置
在烟腔加热部件上增加一个Pt100的热电偶,并将该元件的信号送入PLC的模拟输入模块,以实现加热温度对PLC的反馈。同时,加热部件R8由PLC决定工作状态,增加输出继电器K取代S8.1感应片。
2.修正HMI显示
增加HMI的画面,以达到参数设定、温度数据显示等目的。
下图就是最后完成的HMI显示画面。
3.增加PLC程序
在SiemensS7-300的程序中增加烟腔加热的程序模块。
下图就是程序运行(部分)时,烟腔加热程序模块的显示。
4.控制参数的确定
在参数调整中,“N1/N2/N3/N4,T1/T2/T3=10℃/8℃/5℃/2℃、40/80/60”的常用参数组无法彻底解决温度波动大的问题。这是由于功率为300w的加热器所加热物体相对较小,故而温度控制的时滞性较大,这就需要调节各个有效周期。在通过多次软件模拟和实际测试后,采用“T1/T2/T3=35/15/8”的参数组,实现设计的要求。
五、新系统和老系统的比较
在控制方式方面,游离于核心控制系统的原有控制方式和服从于核心控制系统的新控制方式相比,新的控制方式更加安全和受控,解决了老系统的诸多问题。
在控制算法方面,新、老控制算法的温度响应数据比较表如下。
从上表中我们可以发现,新系统的响应曲线远远优于老系统。除了响应时间这一数据之外,新的控制算法的数据均胜出。由于滤棒成型机组启动前要进行20分钟左右的机组预热,所以实际上烟腔加热系统的响应时间对于整个生产过程是没有太多意义的数据。
下图为新老系统的响应曲线比较示意图。
老系统响应曲线新系统响应曲线
六、结束语
对烟腔加热系统的改进是建立在自动控制的理论与实践相结合的基础上,运用了MATLAB软件进行模拟和推算,从而实现对控制方式和控制算法的甄别。通过这样的设计方法,缩短了设计过程和减少了实物试验的耗材。虽然,本技术更新本身并不是具有极为先进的技术水平。但是,本文所采用的设计理念和设计过程仍可以作为其他同类“炉温控制系统”的借鉴,同时,也可作为其他技术开发及改进项目的参考。
[参考文献]
[1]李斌、赵哲身编,《控制系统的计算机仿真与MATLAB软件的应用》
上海大学自动化学院
[2]胡寿松主编,《自动控制原理(第3版)》国防工业出版社
[3]SIEMENSSIMATICS7-300程序控制硬件与安装
西门子(中国)有限公司
[4]SIEMENSSIMATICSTEP7程序设计编程手册
西门子(中国)有限公司
[5]Pro-face操作应用基础上海天任电子有限公司
[6]Pro-face高级应用手册上海天任电子有限公司
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