基于專家分段PID 注塑機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

胡亞南，王鵬文，豐會萍，李明輝

(1.西京學(xué)院，西安 710000； 2.陜西科技大學(xué)，西安 710000)

塑料被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療、建筑、食品等各個行業(yè)，但隨著科技發(fā)展及生產(chǎn)、生活水平的提升，消費者對塑料制件的質(zhì)量和外觀提出更高要求。料筒溫度的超調(diào)和震蕩，容易出現(xiàn)塑料燒焦、粘附在筒壁、設(shè)備磨損等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響塑件質(zhì)量。目前，國內(nèi)注塑自動監(jiān)控系統(tǒng)存在系統(tǒng)落后、兼容性差、聯(lián)網(wǎng)能力弱的問題，無法實現(xiàn)注塑機生產(chǎn)參數(shù)的精確監(jiān)控和數(shù)據(jù)實時記錄；同時缺乏可實施、成熟的先進控制算法進行參數(shù)控制，所以塑件質(zhì)量的穩(wěn)定性較弱[1]。

注塑機料筒溫度控制效果是決定塑件質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為確保生產(chǎn)出高質(zhì)量且穩(wěn)定的塑件，要求料筒溫度穩(wěn)定在最佳工藝溫度值，無超調(diào)和震蕩。PID 控制因簡單、易實現(xiàn)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，而被大多數(shù)廠家應(yīng)用于料筒溫度控制，且PID 的比例(P)、積分(I)、微分(D) 3 個參數(shù)易整定，是應(yīng)用最廣泛、最好的控制器。由于注塑過程中，料筒溫度受到摩擦生熱、區(qū)間溫度耦合、電壓波動及外部因素影響，固定參數(shù)的PID 料筒溫度控制易出現(xiàn)超調(diào)和震蕩現(xiàn)象，控制效果和適應(yīng)性較差。為提升料筒溫度控制效果，研究人員將變論域模糊控制算法[2]、單神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 算法[3]、模糊 RBFNN 算法[4–5]、內(nèi)膜解耦控制算法[6]等智能控制算法應(yīng)用于料筒溫度控制，取得了一定的效果，但上述算法比較復(fù)雜、數(shù)據(jù)計算量大、實現(xiàn)難度高，對控制器速率和內(nèi)存要求高，故需反復(fù)驗證和高成本的投入。鑒于此，依據(jù)領(lǐng)域?qū)＜液同F(xiàn)場技術(shù)人員的豐富經(jīng)驗和專業(yè)知識，設(shè)計分段PID 參數(shù)庫，構(gòu)建專家分段PID 控制算法，解決固定參數(shù)PID 在不同工況、環(huán)境下控制精度和適應(yīng)性較差的問題；利用西門子S7–300PLC 和ET200S 實現(xiàn)注塑機分布式控制，并與客戶服務(wù)器、車間管理層搭建環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)車間數(shù)據(jù)共享，提升注塑機控制系統(tǒng)水平。

1 注塑工藝流程

圖1 注塑工藝流程示意圖

圖1 為注塑工藝流程。注塑機主要由料筒、料斗、油缸、螺桿、溫度控制等裝置組成，料筒依據(jù)工藝分為固體輸送段、壓縮段、計量段。顆粒或粉末狀塑料存放于料斗內(nèi)，在螺桿旋轉(zhuǎn)作用下將塑料送入料筒，塑料在固體輸送段吸收熱量并傳輸至壓縮段加熱為熔融狀態(tài)并進行加壓和排氣，保證注射塑料原料質(zhì)量；計量段主要是保證塑料塑化的均勻性并為注射做準(zhǔn)備，熔融狀態(tài)的塑料在一定壓力作用下經(jīng)噴嘴注入模具，經(jīng)保壓、冷卻定型、脫模后獲得所需塑件[7]。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計及硬件選型

針對注塑機自動控制系統(tǒng)落后、兼容性差、聯(lián)網(wǎng)能力弱、數(shù)據(jù)共享困難的問題，采用Siemens S7–300PLC 為控制器，以 ET200S 為分布式從站，設(shè)計注塑機集中分散控制系統(tǒng)(DCS 控制系統(tǒng))，如圖2 所示。控制系統(tǒng)底層為執(zhí)行層，主要包括加熱絲、PT100 溫度傳感器、壓力傳感器及電磁閥等儀表、執(zhí)行裝置，完成注塑機控制系統(tǒng)信號采集和控制動作執(zhí)行；中間層為控制層，主要為PLC，ET200S 從站等，PLC 與 ET200S 從站采用 Profibus-DP 通訊，主要完成注塑機生產(chǎn)過程實時控制；頂層為管理層，主要由客戶服務(wù)器、操作站、工程師站等組成，完成系統(tǒng)實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)記錄、報表生成、故障報警等功能，PLC 與操作站、工程師站、客戶服務(wù)器、打印機、觸摸屏之間采用Profinet 通訊，構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，完成工廠車間各節(jié)點的連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、資源共享、遠(yuǎn)程操作等功能[8]。該控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

(1)以運算速度快、精度高、性能強的Siemens S7–300PLC 為核心控制器，以體積小、經(jīng)濟性高的ET200S 為從站，兩者高低搭配、優(yōu)勢互補，實現(xiàn)高性能、經(jīng)濟性的注塑機DCS 控制系統(tǒng)；

圖2 注塑自動控制系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)圖

(2)采用遠(yuǎn)程PC 機(操作站)和現(xiàn)場觸摸屏監(jiān)控相結(jié)合，提高操作便捷性和系統(tǒng)安全保障性；

(3)構(gòu)建環(huán)形網(wǎng)絡(luò)框架，實現(xiàn)車間數(shù)據(jù)共享、資源整合、遠(yuǎn)程操作及維護。

依據(jù)注塑機控制工藝流程和廠家功能要求，對控制系統(tǒng) PLC 模塊、IM 模塊、SM 模塊、PS 模塊等硬件進行選型。從注塑機控制系統(tǒng)I／O 點及冗余量、控制器性能、經(jīng)濟性等方面考慮，選擇CPU315–2PN／DP 控制為核心、IM151 為分布式從站。為便于控制系統(tǒng)硬件組態(tài)、選型、訂貨，利用Siemens TIA Selection Tool 軟件進行系統(tǒng)硬件選型，該軟件具有可視化硬件選型、地址分配、故障診斷、網(wǎng)絡(luò)連接及訂單列表生產(chǎn)等功能，可清晰地看到模塊型號及參數(shù)、機架位置、插槽號、訂貨號及設(shè)備標(biāo)識符、電勢分配等信息，單擊屬性和消息可查看模塊信息和組態(tài)故障信息。S7–300PLC 與分布式從站ET200S 通過Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)通訊，完成現(xiàn)場信息采集和控制信息輸出；S7–300PLC 與觸摸屏 KTP600 通過 Profinet網(wǎng)絡(luò)通訊，同時通過8 口網(wǎng)絡(luò)交換機與管理層構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程／現(xiàn)場操作和監(jiān)控。

在TIA Selection Tool 軟件的Portal 視圖下，選擇訂單列表可自動生成控制系統(tǒng)模塊訂單，將訂單信息導(dǎo)出到網(wǎng)上商城購買或?qū)С鰹镋xcel 文檔傳輸給企業(yè)采購部門，操作方便、快捷，避免模塊附件遺漏，如表1 所示。

表1 硬件選型訂單列表

3 專家分段PID 控制系統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)PID 控制依據(jù)設(shè)定值(SP)和采樣值(PV)的誤差值e(t)的比例(P)、積分(I)、微分(D)運算的疊加控制，獲得輸出u(t)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

對世界而言，進博會是一曲高歌；對中國而言，進博會是一聲號角。中國在這場盛宴上發(fā)出“新時代，共享未來”的呼號，為全球企業(yè)開啟一場品牌與機遇的發(fā)現(xiàn)之旅。在這場盛會里，“百花競放”是它的銘牌，“一花獨放不是春，百花齊放春滿園”是它的注解。對大品牌而言，這場盛會是一方沃土；對小品牌而言，這場盛會帶來了甘霖與春風(fēng)。

增量式PID 可表示為：

式中：KP是比例系數(shù)；TI是積分常數(shù)；TD是微分常數(shù)；KI=KP／TI是比例系數(shù)；KD=KP×TD是微分系數(shù)。

專家分段PID 控制器是基于傳統(tǒng)PID 控制的基礎(chǔ)上，利用領(lǐng)域?qū)＜液同F(xiàn)場技術(shù)人員的豐富經(jīng)驗和知識，依據(jù)注塑機料筒溫度偏差及偏差變化速率，建立專家分段參數(shù)規(guī)則庫實時調(diào)整PID 參數(shù)，實現(xiàn)PID 控制器由固定參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)參數(shù)。

3．1 控制器結(jié)構(gòu)

專家PID 控制器主要包括知識庫、推理機、分段參數(shù)庫、傳統(tǒng)PID 及HMI 界面，如圖3 所示。知識庫主要存放與注塑機料筒溫度控制相關(guān)的參數(shù)、數(shù)據(jù)及專家控制規(guī)則；推理機依據(jù)注塑機現(xiàn)場運行情況、知識庫資源及分段參數(shù)庫邏輯推理出當(dāng)前最佳分段參數(shù)并傳輸給PID 控制器以實現(xiàn)參數(shù)調(diào)整；分段參數(shù)庫是由注塑機溫度控制各種情況下的PID增量參數(shù)組成，分段參數(shù)與專家控制規(guī)則相對應(yīng)，通過HMI 界面可以增加、修改、優(yōu)化分段參數(shù)庫。

圖3 專家分段PID 控制系統(tǒng)

3．2 專家分段 PID 控制規(guī)則

控制規(guī)則是專家分段PID 控制器核心，其依據(jù)專家知識、操作經(jīng)驗、控制規(guī)律總結(jié)出來的相應(yīng)參數(shù)規(guī)則分段劃分PID 控制器，然后反向作用于溫度控制。以注塑機料筒壓縮段溫度控制為例，設(shè)定溫度為200℃，要求精度誤差為±0.5℃以內(nèi)，由于目前國內(nèi)注塑機溫度控制偏差為±5℃，故專家分段控制規(guī)則設(shè)計思路為[9]：

(2)當(dāng)e(k)＜ –10℃時，PV值遠(yuǎn)小于SP值，最大功率加熱。

(3) 當(dāng) –10 ℃ ≤e(k)≤10 ℃ 時，采 用 專 家 分 段PID 控制器控制料筒溫度：

①當(dāng)|e(k)|＜0.05℃時，維持參數(shù)不變；

②當(dāng) 0.05℃ ≤ |e(k)| ≤ 0.2℃時，PV值與SP值偏差較小，增強積分作用，消除靜態(tài)誤差，則?KI(k) =I1× ?KI(k–1)；

③ 當(dāng)e(k)ec(k) ＞ 0 時，|e(k)| 往 增 大 方 向 變化；若 |e(k)|≥2 ℃，實施較強比例控制作用，則?KP(k)=K1×?KP(k–1)；若 0.2 ℃ ＜ |e(k)| ＜ 2 ℃，實施一般強度比例控制作用，增加微分作用防止系 統(tǒng) 超 調(diào)，則 ?KP(k)=K2×?KP(k–1)，?KD(k)=D1×?KD(k–1)；

④ 當(dāng)e(k)ec(k) ＜ 0 且ec(k)ec(k–1)≥0 時，表明 |e(k)|往減小方向變化；若 |e(k)|≥2 ℃，則偏差較大，實施中等強度控制，?KP(k)=K3×?KP(k–1)；若0.2℃＜|e(k))|＜2℃，減小偏差、防止超調(diào)，則?KP(k)=K4×?KP(k–1)，?KI(k)=I2×?KI(k–1)，?KD(k)=D2×?KD(k–1)；

⑤ 當(dāng)e(k)ec(k) ＜ 0 且ec(k)ec(k–1) ＜ 0 時，表明 |e(k)|處于極值狀態(tài)；若 |e(k)|≥2 ℃，實施較強 控 制，?KP(k)=K5×?KP(k–1)；若 0.2 ℃ ＜ |e(k)|＜ 2 ℃，實 施 一 般 控 制，?KP(k)=K6×?KP(k–1)，?KI(k)=I3×?KI(k–1)，?KD(k)=D3×?KD(k–1)；

⑥ 當(dāng)e(k)ec(k)=0 時，表 明 誤 差 為 常值；若 |e(k)|≥2 ℃，實 施 較 強 強 度 控 制，?KP(k)=K7×?KP(k–1)； 若 0.2 ℃ ＜ |e(k)| ＜2 ℃，實 施 一 般 控 制，?KP(k)=K8×?KP(k–1)，?KI(k)=I4×?KI(k–1)，?KD(k)=D4×?KD(k–1)。

其中，e(k)，ec(k)為料筒溫度偏差及偏差變化率；K1～K8，I1～I(xiàn)4，D1～D4為常數(shù)，依據(jù)專家經(jīng)驗和知識而設(shè)定。

3．3 MATLAB 仿真分析

注塑機料筒溫度受到摩擦生熱、溫度耦合、熱量傳遞、電壓波動及其它干擾因素影響，溫度控制系統(tǒng)具有非線、時變、滯后特征，陶西孟等[10]利用階躍響應(yīng)曲線法獲取注塑機料筒溫度控制系統(tǒng)模型為：

式中：G(s)是注塑機料筒溫度；s是拉氏變換因子。

為驗證專家分段PID 控制器的實用性和有效性，在Simulink 軟件中建立專家分段PID 控制器和傳統(tǒng)PID 控制器對比仿真，設(shè)置料筒溫度為200℃，運行時間為 400 s，KP1=1.53，KI1=0.78，KD1=0.57，t=200 s 處增加幅值為30℃(15%)的負(fù)向階躍信號模擬現(xiàn)場干擾信號，以驗證模型抗干擾能力，如圖4所示。將料筒溫度傳遞函數(shù)的K增加30%，模擬現(xiàn)場干擾因素造成模型失配，以驗證專家分段PID 控制器模型失配魯棒性，如圖5 所示。

圖4 控制器對比仿真曲線

圖5 模型失配后控制器對比仿真曲線

由圖4 可知，傳統(tǒng)PID 控制器的超調(diào)量、響應(yīng)速度、到達(dá)穩(wěn)態(tài)時間、干擾偏離穩(wěn)態(tài)值、二次穩(wěn)態(tài)時間 分 別 為 19.6 ℃，60 s，195 s，24 ℃，150 s；專 家分段 PID 控制器分別為 0.1℃，120 s，120 s，15℃，60 s；由圖5 可知，當(dāng)模型失配后傳統(tǒng)PID 控制器的超調(diào)量、響應(yīng)速度、到達(dá)穩(wěn)態(tài)時間、干擾偏離穩(wěn)態(tài)值、二次穩(wěn)態(tài)時間分別約為21.65℃，–10.93 s，25 s，5.04℃，20 s；專家分段 PID 控制器分別約為0.4℃，–18.4 s，3 s，0.7℃，5 s。綜合來看，專家分段PID 控制器具有超調(diào)量小、抗干擾能力強、模型失配魯棒性好的優(yōu)勢，能滿足料筒溫度控制需求。

4 注塑機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)塑件生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控，設(shè)計基于SIEMENS Step7 和WinCC 的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。注塑機監(jiān)控系統(tǒng)主要由用戶登錄、故障報警、報警設(shè)定、生產(chǎn)報表、歷史曲線、參數(shù)設(shè)定、工藝流程等界面組成[11]。HMI 界面主要顯示工作人員需要操作和監(jiān)控的設(shè)備，例如溫度、壓力、工作狀態(tài)、急停及復(fù)位等狀態(tài)及操作，如圖6 所示，不同界面通過按鈕鍵切換，能夠快速查看并遠(yuǎn)程操控注塑生產(chǎn)，實現(xiàn)注塑機生產(chǎn)的集中控制和分散管理。

圖6 注塑機監(jiān)控系統(tǒng)HMI 界面

通過在WinCC 平臺建立過程變量的形式，設(shè)定變量地址與Step7 下位機I／O 地址相對應(yīng)，實現(xiàn)參數(shù)數(shù)據(jù)的傳輸。在注塑生產(chǎn)或調(diào)試過程中，依據(jù)注塑工藝要求或調(diào)試需要，只需在WinCC 參數(shù)設(shè)置界面修改參數(shù)值，即可實現(xiàn)參數(shù)的修改及對下位機的控制，操作簡單便捷，如圖7 所示。

圖7 參數(shù)設(shè)置界面

在WinCC 資源管理器中對PLC 采集到的注塑機料筒溫度信號進行歸檔，設(shè)置歸檔類型、歸檔周期、歸檔標(biāo)簽等參數(shù)，然后調(diào)用WinCC Online Trend Control 控件并修改歷史曲線次序、曲線顏色、曲線磅值及變量連接[12]，如圖8 所示。歷史曲線可為操作人員和技術(shù)人員提供參數(shù)對象的歷史數(shù)據(jù)，用于注塑生產(chǎn)過程故障診斷及產(chǎn)品質(zhì)量問題查詢的參考。

圖8 歷史曲線界面

WinCC Alarm Control 控件可對注塑生產(chǎn)過程信息進行采集并進行歸檔，通過設(shè)置報警記錄的消息塊添加日期、時間、編號、消息文本、錯誤點等信息，可詳細(xì)記錄塑件生產(chǎn)過程中的故障信息，用于及時警告現(xiàn)場故障避免緊急停車或?qū)缶瘍?nèi)容準(zhǔn)確、詳細(xì)地呈現(xiàn)給維修人員以縮短維修時間。注塑機監(jiān)控系統(tǒng)故障報警界面詳細(xì)記錄了注塑生產(chǎn)中存在的故障信息，可直觀查看設(shè)備運行狀況，如圖9 所示。

圖9 故障報警界面

5 結(jié)論

針對注塑機料筒溫度運用傳統(tǒng)PID 控制存在超調(diào)和震蕩，影響塑件質(zhì)量的問題，設(shè)計了專家分段 PID 控 制 算 法。 利 用 Siemens S7–300PLC 和ET200S 實現(xiàn)注塑機分布式遠(yuǎn)程控制；以WinCC 為平臺開發(fā)HMI 友好人機界面，實現(xiàn)生產(chǎn)報表、故障診斷及歷史趨勢功能；搭建了車間環(huán)形光纖工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)了資源整合、數(shù)據(jù)共享，完成了注塑機自動監(jiān)控系統(tǒng)的升級。經(jīng)MATLAB 仿真和現(xiàn)場應(yīng)用表明：專家分段PID 控制算法具有超調(diào)小、調(diào)節(jié)速度快、魯棒性好及算法易實現(xiàn)的優(yōu)點，能夠滿足注塑料筒溫度控制需求