PID調(diào)節(jié)技術(shù)在PCB廠房的應(yīng)用

謝　鋒（汕頭超聲印制板公司，廣東　汕頭　515041）

PID調(diào)節(jié)技術(shù)在PCB廠房的應(yīng)用

謝鋒
（汕頭超聲印制板公司，廣東汕頭515041）

文章解析PID調(diào)節(jié)技術(shù)在PCB廠房設(shè)施的應(yīng)用，舉例說明如何運(yùn)用PID控制技術(shù)，解決系統(tǒng)設(shè)備在房間溫濕度控制精度能力不足、供水系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定、廢水處理過程酸堿度偏差大問題，通過PID調(diào)節(jié)技術(shù)自動調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能減排，減少成本，提升質(zhì)量的目的。

比例積分微分控制；控制精度；節(jié)能減排

1　PID介紹

PID（比例積分微分）調(diào)節(jié)技術(shù)是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種控制方式，適用于需要進(jìn)行高精度測量控制的系統(tǒng)，它能根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行自動控制的。屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)自動控制技術(shù)是基于反饋的概念，包括三個(gè)部分：測量、比較和執(zhí)行。

比例控制：其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。

積分控制：控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差的影響取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會增大。即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)間的增加而加大，它能推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小。

微分控制：控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。由于比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而微分項(xiàng)能預(yù)測誤差變化的趨勢，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超出。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，微分項(xiàng)就能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。當(dāng)然，過大也會造成負(fù)效果。

PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。公式為：

其中誤差信號e（t） = SP（t） - PV（t），M（t）是PID控制器的輸出值，Kc是控制器的比例系數(shù)（增益），Ti是積分時(shí)間，Td是微分時(shí)間，Minitial是M（t）的初始值，實(shí)際上是積分的初始值。

PID調(diào)節(jié)在PCB廠房設(shè)備、系統(tǒng)控制上，用途非常廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，應(yīng)用也比較方便。

本文針對PID調(diào)節(jié)技術(shù)在PCB廠房設(shè)施的應(yīng)用，舉例說明如何運(yùn)用PID調(diào)節(jié)技術(shù)，解決系統(tǒng)設(shè)備在房間溫濕度控制精度能力不足、供水系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定、廢水處理過程酸堿度偏差大問題。

2　PID調(diào)節(jié)在房間溫濕度控制的應(yīng)用

PCB生產(chǎn)房間的溫濕控制精度是生產(chǎn)過程的基本控制要求之一。由于房間冷負(fù)荷變動，室外自然環(huán)境溫濕度變化對房間內(nèi)部的溫濕度有較大影響，如何通過自動控制技術(shù)，減少外界因素對房間內(nèi)部溫濕度控制精度的影響顯得非常重要。房間溫濕度控制是一種非線性的、滯后的、時(shí)變的復(fù)雜過程，運(yùn)用PLC的PID控制功能，實(shí)現(xiàn)PID模擬量對溫度及濕度進(jìn)行控制，能較好解決房間溫濕度控制精度問題。

2.1系統(tǒng)改進(jìn)前問題點(diǎn)

改進(jìn)前舊式控制系統(tǒng)為：溫度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是機(jī)械熱力膨脹式冷水流量調(diào)節(jié)閥，加濕控制為機(jī)械式濕度控制器，系統(tǒng)運(yùn)行控制過程溫度波動大，精度為±1℃，濕度控制精度差，精度為±10%。

2.2系統(tǒng)改進(jìn)硬件配置

（1）西門子S7-200 PLC及模擬量控制模塊，用于接收變送器模擬量信號，執(zhí)行PID運(yùn)算并輸出模擬量。

（2）溫度變送器，將房間的溫度值轉(zhuǎn)換成0～10V模擬電壓；

（3）濕度變送器，將房間的濕度值轉(zhuǎn)換成0～10V模擬電壓；

（4）冷水流量比例調(diào)節(jié)閥，執(zhí)行冷量調(diào)節(jié)；

（5）加濕流量比例調(diào)節(jié)閥，執(zhí)行加濕水量調(diào)節(jié)。

2.3系統(tǒng)控制組成框圖

系統(tǒng)控制是基于PLC（可編程邏輯控制器）的閉環(huán)控制，如上圖所示，圖中虛線部分屬PLC，其控制原理主要由溫、濕度變送器對房間溫濕度轉(zhuǎn)換成0～10V模擬電壓，經(jīng)PLC對給定值與檢測值比較，進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出溫、濕度控制值的模擬量，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)冷水流量比例調(diào)節(jié)閥及加濕流量比例調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。PLC編程方面，在應(yīng)用程序中調(diào)用PID向?qū)勺映绦?，完成PID控制。

2.4運(yùn)行PID控制效果

由于改造后系統(tǒng)控制精度提高，系統(tǒng)存在過度冷卻、過量加、除濕過程也基本消除。自動記錄儀記錄改造后溫度控制精度達(dá)±0.5 ℃，濕度控制精度達(dá)±2%，對比改造前在能耗上節(jié)能達(dá)10%以上。

3　PID調(diào)節(jié)在供水壓力控制的應(yīng)用

PCB生產(chǎn)供水系統(tǒng)包含了自來水系統(tǒng)、DI水系統(tǒng)等，供水壓力高，意味著能耗高，而壓力供水系統(tǒng)壓力波動大，意味著浪費(fèi)及影響自動噴洗的穩(wěn)定性，水壓波動是由于整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)用水量并非一個(gè)固定值，各生產(chǎn)線水量添加、部分生產(chǎn)線停機(jī)保養(yǎng)、用餐時(shí)間局部停機(jī)等問題使用整個(gè)系統(tǒng)的供水量是一個(gè)變量，造成水壓波動。恒壓供水問題可運(yùn)用PID調(diào)節(jié)技術(shù)解決，由于變頻技術(shù)的發(fā)展，早期采用“憋閥門”調(diào)壓限流已成為歷史，通過聯(lián)合變頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)時(shí)變換水泵輸送流量，供水管網(wǎng)也向安全、節(jié)能及高品質(zhì)的方向?qū)崿F(xiàn)了飛躍。同時(shí)，由于供水壓力穩(wěn)定，有利于PCB生產(chǎn)過程工藝參數(shù)的控制，在穩(wěn)定、提升質(zhì)量發(fā)揮重要作用。

圖1　系統(tǒng)控制組成

如今大部份品牌的變頻器內(nèi)部都已有PID功能。下述以VFD-F型變頻器為例，說明PID調(diào)節(jié)在供水系統(tǒng)的應(yīng)用。

3.1系統(tǒng)改造前情況

水泵星三角啟動，工頻運(yùn)行，日常運(yùn)行系統(tǒng)供水管壓偏大，由于生產(chǎn)線用水不是一個(gè)固定量，特別是中午用餐，或個(gè)別生產(chǎn)線停產(chǎn)、保養(yǎng)時(shí)水壓波動較大。

3.2系統(tǒng)改進(jìn)硬件配置

（1）VFD-F型變頻器；變頻器內(nèi)部已有PID運(yùn)算功能，本方案投資少。

（2）電流輸出壓力變送器，4 mA ～ 20 mA模式對應(yīng)0～1000 Pa；感應(yīng)供水管網(wǎng)壓力。

3.3系統(tǒng)控制組成框圖

圖2　系統(tǒng)控制組成框圖

3.4PID設(shè)置參數(shù)設(shè)置

圖3中下標(biāo)表示對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置項(xiàng)目

（1）進(jìn)入02-00，選取檢測量由壓力變送器供給的模擬電流4mA ～ 20 mA輸入；

（2）進(jìn)入10-00，設(shè)定PID控制檢測參數(shù)對應(yīng)最大參考值，此項(xiàng)對應(yīng)壓力變送器參數(shù)，如4mA ～ 20 mA可對應(yīng)0～1000 Kpa；

（3）進(jìn)入10-02，設(shè)定正負(fù)反饋模式；

（4）進(jìn)入10-03，設(shè)定P值；根據(jù)不同的系統(tǒng)可優(yōu)先選取P=3～7，

（5）進(jìn)入10-04，設(shè)定I值；根據(jù)不同的系統(tǒng)可優(yōu)先選取P=1～50

（6）10-04～08可按VFD-F提供的默認(rèn)值。

3.5運(yùn)用PID控制效果

泵站壓力運(yùn)行圖4示：取樣一個(gè)班次，壓力基本處于一條直線。

整個(gè)控制系統(tǒng)中核心部分是PID自動運(yùn)算，根據(jù)給定值與實(shí)際值的偏差，通過變頻改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)運(yùn)行中，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，實(shí)現(xiàn)泵站供水管網(wǎng)壓力恒定。對比改造前，節(jié)水節(jié)電達(dá)20%～30%，是非?？捎^的。

圖3　參數(shù)設(shè)置

圖4　泵站壓力運(yùn)行

4　PID調(diào)節(jié)在廢水處理過程酸堿度（pH值）控制的應(yīng)用

在PCB廢水處理工藝過程中，常采用中和處理方法，需在系統(tǒng)中添加硫酸或氫氧化鈉進(jìn)行中和處理，使其pH值達(dá)到排放廢水的標(biāo)準(zhǔn)。由于原水中酸堿度經(jīng)常變化，添加量并非一個(gè)固定值，是一個(gè)變量，所以，采用PID調(diào)節(jié)，同樣可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確量藥品添加。

4.1系統(tǒng)改進(jìn)前問題點(diǎn)

中和處理過程工藝控制一般pH值為7～9；添加不足達(dá)不到工藝求，過量添加造成藥品浪費(fèi)；前期為人工通過調(diào)節(jié)添加泵的流量來控制，效果較差，波動大，人工投入量大。

4.2系統(tǒng)改進(jìn)硬件配置

（1）VFD-B型變頻器一臺；變頻器內(nèi)部已有PID運(yùn)算功能，本方案投資少。

（2）電流輸出型PH計(jì)一只；4 mA ～ 20 mA模式；對應(yīng)0～14 pH 值

4.3系統(tǒng)控制組成框圖

圖5　系統(tǒng)控制組成

4.4PID設(shè)置參數(shù)設(shè)置

圖6中下標(biāo)表示對應(yīng)的參數(shù)設(shè)置項(xiàng)目。

10-01PID 檢出值輸入增益默認(rèn)值1；

10-02比例值（P）增益，根據(jù)不同的系統(tǒng)可優(yōu)先選取P=3～7

10-03積分時(shí)間（I），根據(jù)不同的系統(tǒng)可優(yōu)先選取P=1～50

10-04積微分時(shí)間（D）默認(rèn)值0

10-05積分上限值默認(rèn)值100

10-06ID 值一次延遲默認(rèn)值0

4.5運(yùn)行PID控制效果

PID自動配藥運(yùn)行后圖示：取樣一個(gè)班次，PH值控制精度趨勢為直線運(yùn)行。

圖6　參數(shù)設(shè)置

圖7　自動配藥運(yùn)行

改造后由于pH值控制穩(wěn)定，節(jié)約藥品成本投入達(dá)10%以上，同時(shí)也減少人工投入。

5　PID 系統(tǒng)參數(shù)整定

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。二是工程整定方法，主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。

P參數(shù)設(shè)置：可先把P參數(shù)先設(shè)置大，避免開機(jī)出現(xiàn)超調(diào)和振蕩，運(yùn)行后視響應(yīng)情況再逐步調(diào)小，加強(qiáng)比例作用的效果，提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，理想狀態(tài)既能快速響應(yīng)，又不出現(xiàn)超調(diào)或振蕩。

I參數(shù)設(shè)置：可先把I參數(shù)設(shè)置大，系統(tǒng)投運(yùn)后先把P參數(shù)調(diào)好，再把I參數(shù)逐步往小調(diào)，觀察系統(tǒng)響應(yīng)，以系統(tǒng)能快速消除靜差進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，不出現(xiàn)超調(diào)振蕩為最佳。

D參數(shù)設(shè)置：可把D參數(shù)設(shè)置為O，即去除微分作用，系統(tǒng)投運(yùn)后先調(diào)好P參數(shù)和I參數(shù)，P、I確定后，再逐步增加D參數(shù)，改善系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，以系統(tǒng)不出現(xiàn)振蕩為最佳。

各個(gè)參數(shù)的控制規(guī)律：比例P使反應(yīng)變快，微分D使反應(yīng)提前，積分I使反應(yīng)滯后。PID調(diào)節(jié)的一些經(jīng)驗(yàn)值：

溫度系統(tǒng)：P（%）20～60，I（分）3～10，D（分）0.5～3

流量系統(tǒng)：P（%）40～100，I（分）0.1～1

壓力系統(tǒng)：P（%）30～70，I（分）0.4～3

液位系統(tǒng)：P（%）20～80，I（分）1～5

6　結(jié)論

在PCB生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會要求對一些物理量如溫度、濕度、壓力、pH值等進(jìn)行控制，而這些物理量大多數(shù)隨時(shí)間而變化的。傳統(tǒng)開關(guān)量模式，控制精度差，特別是在一些舊設(shè)備、系統(tǒng)中此類問題較多。在提升改造中，運(yùn)用變頻器、比例控制器或PLC進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)進(jìn)行改造，投入費(fèi)用不大，但取得的效果都比較理想。運(yùn)用PID調(diào)節(jié)控制物理量，系統(tǒng)運(yùn)行具穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性，由于提高了控制參數(shù)的精度，對提升質(zhì)量，節(jié)約成本，節(jié)能減排具有較大的意義。

VFD使用手冊.

自動控制原理［M］. 2011年清華大學(xué)出版社出版圖書. S7-200系統(tǒng)手冊.

S7-200/400梯形邏輯編程（LAD）參考手冊［M］. 2004.李江全. PLC模擬量與通信控制應(yīng)用實(shí)例詳解［M］.電子工業(yè)出版，2014.

Application of PID control technology in the PCB plant

XIE Feng

This study investigated PID controller technology in public facilities of PCB industry， and made examples of how to improve the accuracy of the temperature and humidity， stabilizing the pressure of water system and the pH value of wastewater treatment process by PID control technology， and save energy， reduce costs，improve quality.

PID Controller； Control Precision； Save Energy

TN41

A

1009-0096（2015）09-0061-05