董超+鄭芳琴

摘 要：文章介紹了自整定PID在塑料包裝機(jī)同步控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。針對(duì)塑料包裝機(jī)生產(chǎn)線頻繁啟停廢品率高的特點(diǎn)，提出了基于自整定PID算法并結(jié)合西門子S7_300 PLC，實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)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(jī)；同步控制；PLC

1 塑料包裝機(jī)工藝簡(jiǎn)介

塑料包裝機(jī)從塑料卷開始，經(jīng)過(guò)染色并烘干，然后根據(jù)客戶需求把袋子剪切陳需要長(zhǎng)度，經(jīng)過(guò)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(jī)器每個(gè)部位都要嚴(yán)格地按線速度同步，而且不同部分的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率大小差異比較大，特別在剪切的部位。由于機(jī)械上要產(chǎn)生大剪切力，所以安裝了凸輪裝置，這使得電機(jī)的負(fù)載變化是一個(gè)非線性的，對(duì)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(shí)現(xiàn)了各個(gè)電機(jī)之間相同線速度的控制方案。

2 方案設(shè)計(jì)

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(jì)控制系統(tǒng)是主要關(guān)鍵點(diǎn)。根據(jù)塑料包裝機(jī)的特點(diǎn)，在本工藝中，我們必須要保證傳動(dòng)部各個(gè)電機(jī)之間要同時(shí)啟動(dòng)和停止，并且各個(gè)電機(jī)之間的線速度差不超過(guò)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(jī)畫面通過(guò)軟件Flexible來(lái)實(shí)現(xiàn)。硬件部分以西門子觸摸屏OP270-10作為人機(jī)交互界面，完成了參數(shù)的修改和監(jiān)視， PLC負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)采集和算法實(shí)現(xiàn)。電機(jī)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(guò)DP總線和PLC之間進(jìn)行通訊，以實(shí)現(xiàn)每臺(tái)電機(jī)的同步控制。

2.2 自整定PID

由于塑料包裝機(jī)生產(chǎn)線機(jī)械動(dòng)作比較多，在生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)機(jī)械設(shè)備都帶有不規(guī)則的凸輪機(jī)構(gòu)。每次停機(jī)后，機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載都不能做到完全一直。因此，在下一次開機(jī)時(shí)，我們的控制對(duì)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(duì)象，不能達(dá)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(yàn)庫(kù)與常規(guī)PID相結(jié)合，使其PID參數(shù)在每次開機(jī)后都能自我調(diào)整，以便達(dá)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(yàn)根據(jù)被控對(duì)象在線修改參數(shù)，這樣可以根據(jù)被控對(duì)象不同的絕對(duì)誤差和絕對(duì)誤差率，在線調(diào)整參數(shù)kp、ki和kd，使其根據(jù)被控對(duì)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(jī)的特點(diǎn)，我們選用自整定PID的基本可以解決機(jī)械負(fù)載不恒定的問(wèn)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(guò)DP總線與PLC通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)。PLC根據(jù)變頻器實(shí)際的速度誤差變化和誤差變化率，根據(jù)工程師經(jīng)驗(yàn)整定PID參數(shù)，在通過(guò)DP總線傳輸給變頻器，以實(shí)現(xiàn)變頻器速度環(huán)PID參數(shù)的自整定，從而達(dá)到控制目的。

對(duì)于PID參數(shù)的制定，需要根據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)，有以下三點(diǎn)要求：

（1）當(dāng)絕對(duì)誤差較大時(shí)，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(shí)間。

（2）當(dāng)絕對(duì)誤差和絕對(duì)誤差率是一般大小時(shí)，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(shí)間和微分時(shí)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(duì)誤差較小時(shí)，我們需要提高比例值和積分時(shí)間，而且微分時(shí)間需要根據(jù)絕對(duì)誤差率的大小來(lái)選擇。當(dāng)絕對(duì)誤差率比較大時(shí)，微分要取小點(diǎn)，反之取大點(diǎn)，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(chǎng)工程師調(diào)試完成后，把各種負(fù)載情況下的最優(yōu)化PID參數(shù)通過(guò)列表的方式建立數(shù)據(jù)塊。PLC可以根據(jù)不同的絕對(duì)誤差和絕對(duì)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(shí)際速度和給定速度比較值，C，D，E為新的PID參數(shù)）來(lái)選擇PID參數(shù)。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 程序設(shè)計(jì)

本次應(yīng)用設(shè)計(jì)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(guò)總的OB1組織塊來(lái)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(jī)對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，所以我們采用優(yōu)先級(jí)最高的硬件中斷來(lái)接受各個(gè)電機(jī)的位置傳感器信號(hào)。PLC拿到這個(gè)信號(hào)后，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出來(lái)電機(jī)的位置差并調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，實(shí)現(xiàn)同步控制。

2.3.2 同步控制實(shí)現(xiàn)

根據(jù)本工藝的特點(diǎn)，每臺(tái)電機(jī)配備一個(gè)ACS880變頻器和一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器。生產(chǎn)時(shí)，我們按照傳動(dòng)功率最大的電機(jī)作為主電機(jī)，其他作為從電機(jī)，并且在每個(gè)電機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)處安裝位置開關(guān)。電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，其信號(hào)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(hào)時(shí)，SM321接收信號(hào)并硬件中斷，PLC判斷信號(hào)是否同時(shí)到達(dá)。通過(guò)計(jì)算時(shí)間差，計(jì)算出實(shí)際應(yīng)該調(diào)節(jié)的速度并通過(guò)DP傳輸給變頻器，變頻器根據(jù)PLC傳輸過(guò)來(lái)的目標(biāo)值與實(shí)際自動(dòng)調(diào)整電機(jī)速度使其同步。

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

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

如果△ES為允許誤差范圍，那么當(dāng)電機(jī)的同步絕對(duì)誤差小于此值時(shí)，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(jì)算公式計(jì)算：

根據(jù)最終的速度公式，PLC計(jì)算出來(lái)后，同過(guò)DP總線給變頻器控制電機(jī)的速度給定，并且編碼器與變頻器形成閉環(huán)控制。PLC通過(guò)通訊修改變頻的速度環(huán)PID參數(shù)，從而解決了負(fù)載變化較大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了自整定PID控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，通過(guò)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(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效果。

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作者簡(jiǎn)介：董超（1981，7-），男，漢族，陜西咸陽(yáng)人，陜西西微測(cè)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。