自整定PID在塑料包裝機同步控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

董超+鄭芳琴

摘 要：文章介紹了自整定PID在塑料包裝機同步控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。針對塑料包裝機生產(chǎn)線頻繁啟停廢品率高的特點，提出了基于自整定PID算法并結(jié)合西門子S7_300 PLC，實現(xiàn)了多電機同步控制的方案。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)能明顯提高產(chǎn)品的成品率，降低成本。

關(guān)鍵詞：自整定PID；塑料包裝機；同步控制；PLC

1 塑料包裝機工藝簡介

塑料包裝機從塑料卷開始，經(jīng)過染色并烘干，然后根據(jù)客戶需求把袋子剪切陳需要長度，經(jīng)過傳送轉(zhuǎn)向，在粘貼部分打開封口擠壓并折疊粘貼，最后成型出袋，如圖1所示。

為保證袋子從開始印刷到最后的成品具有較高的成品率，所以機器每個部位都要嚴格地按線速度同步，而且不同部分的驅(qū)動電機功率大小差異比較大，特別在剪切的部位。由于機械上要產(chǎn)生大剪切力，所以安裝了凸輪裝置，這使得電機的負載變化是一個非線性的，對變頻器的控制影響很大。因此，提出了基于自整定PID算法并結(jié)合西門子S7_300 PLC，實現(xiàn)了各個電機之間相同線速度的控制方案。

2 方案設(shè)計

2.1 工藝要求和總體方案

依據(jù)上述工藝的描述，為了提高產(chǎn)品質(zhì)量以及成品率，如何設(shè)計控制系統(tǒng)是主要關(guān)鍵點。根據(jù)塑料包裝機的特點，在本工藝中，我們必須要保證傳動部各個電機之間要同時啟動和停止，并且各個電機之間的線速度差不超過0.5MM/S 。

因此，我們采取以西門子300PLC（6ES7 315-2EH13-0AB0）為核心的集散控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)軟件以STEP7為基礎(chǔ)，人機畫面通過軟件Flexible來實現(xiàn)。硬件部分以西門子觸摸屏OP270-10作為人機交互界面，完成了參數(shù)的修改和監(jiān)視， PLC負責(zé)所有數(shù)據(jù)采集和算法實現(xiàn)。電機的速度控制，我們使用ABB的ACS880系列變頻器。變頻器的速度控制等參數(shù)通過DP總線和PLC之間進行通訊，以實現(xiàn)每臺電機的同步控制。

2.2 自整定PID

由于塑料包裝機生產(chǎn)線機械動作比較多，在生產(chǎn)過程中各個機械設(shè)備都帶有不規(guī)則的凸輪機構(gòu)。每次停機后，機械系統(tǒng)的負載都不能做到完全一直。因此，在下一次開機時，我們的控制對象就有所變化。這就使得我們常規(guī)的PID參數(shù)不能適應(yīng)這種變化的控制對象，不能達到最優(yōu)化的控制理念，因此產(chǎn)品的成品率就很難提高。為此，我們將工程師經(jīng)驗庫與常規(guī)PID相結(jié)合，使其PID參數(shù)在每次開機后都能自我調(diào)整，以便達到最優(yōu)控制。

自整定PID控制器是一種在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程師經(jīng)驗根據(jù)被控對象在線修改參數(shù)，這樣可以根據(jù)被控對象不同的絕對誤差和絕對誤差率，在線調(diào)整參數(shù)kp、ki和kd，使其根據(jù)被控對象的變化而變化，以滿足工業(yè)控制的要求，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

基于塑料包裝機的特點，我們選用自整定PID的基本可以解決機械負載不恒定的問題，以提高產(chǎn)品的合格率。我們將變頻器和編碼器組成閉環(huán)控制回路，提高變頻器的輸出精度。變頻器之間的速度匹配，我們通過DP總線與PLC通訊來實現(xiàn)。PLC根據(jù)變頻器實際的速度誤差變化和誤差變化率，根據(jù)工程師經(jīng)驗整定PID參數(shù)，在通過DP總線傳輸給變頻器，以實現(xiàn)變頻器速度環(huán)PID參數(shù)的自整定，從而達到控制目的。

對于PID參數(shù)的制定，需要根據(jù)工程師的經(jīng)驗，有以下三點要求：

（1）當(dāng)絕對誤差較大時，為了使控制系統(tǒng)響應(yīng)快速，超調(diào)量小，而且也不能出現(xiàn)積分飽和的現(xiàn)象，我們使比例較大和縮小微分，并取消積分時間。

（2）當(dāng)絕對誤差和絕對誤差率是一般大小時，我們?yōu)榱藴p少控制系統(tǒng)的超調(diào)量， 應(yīng)該減小比例值。積分時間和微分時間要選擇合適大小，這樣才可以保證控制系統(tǒng)的相應(yīng)速度。

（3）當(dāng)絕對誤差較小時，我們需要提高比例值和積分時間，而且微分時間需要根據(jù)絕對誤差率的大小來選擇。當(dāng)絕對誤差率比較大時，微分要取小點，反之取大點，這樣才能保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和震蕩。

在現(xiàn)場工程師調(diào)試完成后，把各種負載情況下的最優(yōu)化PID參數(shù)通過列表的方式建立數(shù)據(jù)塊。PLC可以根據(jù)不同的絕對誤差和絕對誤差率，按照規(guī)則If |e| is A and |ec| is B， then kP is C， ki is D， kd is E.（其中：A和B為實際速度和給定速度比較值，C，D，E為新的PID參數(shù)）來選擇PID參數(shù)。

2.3 軟件設(shè)計

2.3.1 程序設(shè)計

本次應(yīng)用設(shè)計借助于西門子300編成軟件Step7，編程采用結(jié)構(gòu)化的方式，相同的功能塊，采用統(tǒng)一FB塊，所有的子系統(tǒng)通過總的OB1組織塊來統(tǒng)一調(diào)用。這樣編寫可以大大減少相同功能程序的編寫量，提高代碼人員的工作效率。由于本塑料包裝機對實時性要求比較高，所以我們采用優(yōu)先級最高的硬件中斷來接受各個電機的位置傳感器信號。PLC拿到這個信號后，經(jīng)過計算得出來電機的位置差并調(diào)節(jié)電機的速度，實現(xiàn)同步控制。

2.3.2 同步控制實現(xiàn)

根據(jù)本工藝的特點，每臺電機配備一個ACS880變頻器和一個旋轉(zhuǎn)編碼器。生產(chǎn)時，我們按照傳動功率最大的電機作為主電機，其他作為從電機，并且在每個電機的機械傳動處安裝位置開關(guān)。電機旋轉(zhuǎn)一周發(fā)出一個脈沖信號，其信號由帶診斷功能的SM321采集并送給PLC。

當(dāng)位置開關(guān)發(fā)出信號時，SM321接收信號并硬件中斷，PLC判斷信號是否同時到達。通過計算時間差，計算出實際應(yīng)該調(diào)節(jié)的速度并通過DP傳輸給變頻器，變頻器根據(jù)PLC傳輸過來的目標(biāo)值與實際自動調(diào)整電機速度使其同步。

根據(jù)主電機和從電機采用相同給定值，主電機的為主，從電機的位置和其比較得到誤差值，再將誤差值相加到從電機上，電機速度調(diào)節(jié)大小有同步系數(shù)來控制，其原理如圖3所示。

圖3中：S1和S2為一組位置信號，；VSP為主電機給定速度；TA根據(jù)生產(chǎn)要求所設(shè)定的從電機同步時間；KP為主從電機速度比，KP=P1/P2（P1和P2分別為兩臺電機速度給定值）；BP為變頻器；M三相異步交流電機；FB為編碼器。

如果△ES為允許誤差范圍，那么當(dāng)電機的同步絕對誤差小于此值時，變頻器不做調(diào)整，反之需要調(diào)整，調(diào)整的方法可以根據(jù)下列計算公式計算：

根據(jù)最終的速度公式，PLC計算出來后，同過DP總線給變頻器控制電機的速度給定，并且編碼器與變頻器形成閉環(huán)控制。PLC通過通訊修改變頻的速度環(huán)PID參數(shù)，從而解決了負載變化較大的問題，實現(xiàn)了自整定PID控制。

3 結(jié)束語

現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，通過此控制方案，使得產(chǎn)品的成品率從70%提高到了95%以上，取得了較好應(yīng)用效果，值得推廣，為企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟效果。

參考文獻

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作者簡介：董超（1981，7-），男，漢族，陜西咸陽人，陜西西微測控工程有限公司，碩士研究生，主要研究方向：控制理論與控制工程。