ＰＩＤ模糊參數自整定控制的硫化機群測控系統

2008-04-12 00:00:00徐笑莊喻莉莉

現代電子技術 2008年15期

摘要：作為橡膠硫化主要設備的平板硫化機必須具備控制硫化條件(硫化溫度、硫化時間和硫化壓力)的能力，其控制的精度將直接影響橡膠制品的質量和性能。基于模糊推理的PID自整定控制，在線改變模糊控制器的參數，使控制器能夠根據實際情況調整比例系數，使其在系統狀態變化的每一時刻自動調節PID參數。應用證明，本系統能夠精確地控制每臺硫化機的硫化溫度和時間，使平板硫化機控制精度達到±0.5 ℃的國家標準，且系統性能穩定可靠。

關鍵詞：溫度控制；平板硫化機；硫化溫度；模糊控制

中圖分類號：TQ330 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1513203

Vulcanization Machine Measurement System of PID Fuzzy Parameter Auto-Collating

XU Xiaozhuang，YU Lili

(Luoyang Institute of Science and Technology，Louyang，471023，China)

Abstract：As the main rubber vulcanizing equipment，the flat panel valcanizer must have the ability to control the valcanizing condition(such as valcanizing temperature，valcanizing time and pressure).The controlling accuracy will influnce the quality and the nature of the rubber products directly.On the basis of fuzzy reasoning，the PID auto-collating and timing controller can change the parameters of the fuzzy controller，adjust its proportion coefficient accordingly on-line，and make it to adjust PID parameter each moment as the system changing.Practice shows that the system control the valcaning temperature and time exactly，and proves the accuracy of the flat panel valcanizer to ±0.5℃，which is the nation′s standard.Function of the system is found reliable.

Keywords：temperature control;plate vulcanization machine;vulcanization′s temperature;fuzzy control

作為橡膠硫化主要設備的平板硫化機必須具備控制硫化條件(硫化溫度、硫化時間和硫化壓力)的能力，其控制的精度將直接影響橡膠硫化制品的質量好壞。隨著橡膠制品產業的進步和發展，對硫化工藝的精確性、可靠性、成本控制方面都提出了更高的要求。目前盡管一些平板硫化機的溫度控制采用溫度控制儀表加接觸器(或可控硅、固態繼電器)，硫化控制采用PLC或繼電器控制。但是其溫度控制精度只能達到±2 ℃，為了能達到硫化順丁橡膠而且同時滿足SBS(苯乙烯-丁二烯共聚物)、聚丙烯和順丁橡膠三類產品的硫化要求，某橡膠制品廠要求對原有平板硫化機的控制系統進行改造，要求研制一套能夠適應以上三類膠料的平板硫化機模糊控制系統。并且精度要求控制在±0.5 ℃以內，具有自動開模、自動合模、自動排氣、手動和自動硫化選擇功能，系統性能穩定，操作簡單且成本低。

1 硫化參數的確定

橡膠的硫化過程是在一定的溫度、時間和壓力的條件下完成的。這三個條件對橡膠產品的質量起著決定性的作用，因此被稱為“硫化三要素”。橡膠硫化的過程可以分為四個階段：硫化誘導階段、熱硫化階段、正硫化階段和過硫化階段如圖1所示。

在橡膠生產工藝中，正硫化通常是指橡膠制品物理、化學性能達到最佳值時的硫化狀態。正硫化時間是指達到正硫化狀態所需要的時間。硫化溫度直接影響硫化產品的質量和硫化速度，硫化溫度的高低取決于橡膠的種類、配方和硫化工藝。

在實際生產過程中，橡膠硫化的壓力是根據橡膠的種類、配方和硫化工藝、可塑性、產品結構等因素來決定。而硫化的溫度和時間是相互制約的，標準硫化工藝是依據等效硫化的范得荷夫數學公式進行的，即在一定的溫度范圍內采用：E₂=E₁×K(T)^{(T₁-T₂)/10}(1)其中：T₁為標準硫化溫度；T₂為實際硫化溫度；E₁為標準硫化溫度下的正硫化時間；E₂為實際硫化溫度下的正硫化時間；K(T)為硫化系數(在一定溫度范圍內可視為常數)。

上式經變化后，可得標準硫化溫度下的正硫化時間E₁：E₁=E₂×K(T)^{(T₂-T₁)/10}(2) 式(2)表明硫化溫度和硫化時間互為指數關系。若取T₁-T₂=10，K=2，則：E₁/E₂= K^{(T₂-T₁)/10}=1/2(3) 這說明硫化溫度相差10 ℃時，硫化時間相差兩倍。也就是說，溫度每增加10 ℃時，硫化時間縮短一倍，反之，硫化時間則延長一倍。所以把在不同硫化溫度下達到相同硫化效果的時間，稱為等效硫化時間，利用范得荷夫數學公式可以方便地計算出在不同硫化溫度下的等效硫化時間。

2 平板硫化機的控制結構

通過分析可知，平板硫化機的溫度控制是一種不確定、大慣性、外界干擾復雜多變、非線性嚴重的控制對象，常規PID控制算法難以滿足控制要求。因此設計采用模糊自適應PID控制策略，用模糊控制理論在線整定PID控制器的比例、積分、微分系數，將模糊控制和傳統的PID控制相結合，將傳統PID控制經驗的優點和模糊控制的靈活性、自適應性相結合，以克服控制系統的變參數、非線性等不利因素的影響，使系統輸出響應的過渡過程平穩、系統的超調量小、過渡時間短、跟蹤性能好，具有較好的動態性能。系統以PLC為中心，配以高性能的模塊化外設組成一體化的溫度控制系統，同時采用硬件和軟件的抗干擾措施，確保系統的穩定性和高可靠性。PLC選擇Honeywell的UMC800，UMC-800由控制器和操作面板組成，兩者間最大距離是15 m。控制器上有16個I/O插槽，可插入4種I/O插卡，AI(4通道/卡)、AO(4通道/卡)、DI(6通道/卡)、DO(6通道/卡)，由于AI、AO插卡有數量的限制，系統最多可有24個模擬量輸入、12個模擬量輸出、42個開關量輸入輸出。當減少模擬量輸入輸出插卡時，開關量輸入輸出點數最多可增加到96點。PID回路數有16個，但其中至少有4個應為ON/OFF通斷型時間比例輸出或三位步進輸出，其余為4～20 mA輸出。內部功能塊種類超過70，應用總數為250個。

操作面板帶5英寸LCD彩色顯示器和22個操作鍵，可以完成所有控制功能的組態，如數據庫組態、程序編寫、參數整定、顯示畫面設置等組態功能及進入各種顯示畫面的操作功能。另可選3.5英寸軟驅，以存儲模擬量、報警、數字事件，還可存儲和傳送控制器與操作器接口的組態、設定點程序和處方。

基于Windows 95/NT的組態軟件可在獨立PC機上完成離線組態，再通過RS 232口下裝到控制器和操作面板上，系統具有集中管理，分散控制的高可靠性。PLC控制系統框圖如圖2所示。

溫度控制單元由鉑電阻、AI模塊、PID、操作器、AO模塊、可控硅調壓器組成。該單元決定了溫度控制精度，鉑電阻選用A級鉑電阻，精度為0.2級，AI模塊轉換位數為20位，精度可達到0.05%。

3 PID自整定控制器的參數確定

系統的主要功能是要實現對橡膠硫化過程中的三個主要因素進行精確的測控。由于橡膠硫化中的正硫化時間是按標準硫化溫度下的正硫化時間設定的，當實際硫化溫度超過標準硫化溫度時，若不能夠相應地改變正硫化時間，將直接影響橡膠產品的各種物化性能。因此要求系統同時對多臺硫化機進行溫度巡回實時采樣檢測，實時顯示每個機臺的溫度及工作狀況。對采樣的數據經處理后，嚴格按照等效硫化的范得荷夫公式，自動調整硫化時間，控制開、合模時間及排氣時間以確保等效硫化的要求，并且對硫化溫度作上、下限監測，超限告警，對非正常的開、合模進行跟綜、記錄、手動和自動硫化選擇功能。

基于模糊推理的PID自整定控制，在線改變模糊控制器的參數，使控制器能夠根據實際情況調整比例系數K_P、積分系數K_I和微分系數K_D，使其在系統狀態變化的每一時刻自動調節PID參數，讓控制過程時刻處于最優狀態，增強了對環境變化的適應能力。模糊控制器的主程序包括系統初始化、溫度信號的采集、A/D變換、控制算法以及數據顯示等功能的實現等控制模塊，該程序的流程圖如圖3所示。

Ｘ