電纜生產(chǎn)中塑料擠出機溫度控制系統(tǒng)研究

摘 要:本文主要對于電纜生產(chǎn)中塑料擠出機溫度控制系統(tǒng)進行分析，提出利用S7-300實現(xiàn)單參數(shù)模糊PID溫度控制的設(shè)計思想，對于提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力具有一定參考意義。

關(guān)鍵詞:電纜生產(chǎn)擠出機溫度控制模糊PID控制系統(tǒng)組成

中圖分類號:TM6文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)01(b)-0045-01

(兗礦集團唐村實業(yè)公司(電纜公司)山東鄒城273522)

單參數(shù)模糊PID溫度控制系統(tǒng)在擠出機中的應(yīng)用，其采用PLC作為溫度控制系統(tǒng)的核心，克服了以往儀表控制的單回路調(diào)節(jié)器的缺點，同時利用PLC邏輯控制器的優(yōu)點，與輸入、輸出信號通過簡單的編程實現(xiàn)連鎖，可以對各種情況及時做出反應(yīng)，使控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

1 擠出機溫度控制的特點

在線纜的生產(chǎn)中，擠出機溫度的控制在生產(chǎn)過程中的眾多因素中，是一個最為關(guān)鍵的控制量。溫度不但對產(chǎn)品的質(zhì)量有最直接的影響，而且對加工穩(wěn)定性、設(shè)備的耐用性等都有影響。如果擠出溫度過高，不僅物料有可能產(chǎn)生熱降解或局部熱降解，得不到合格的產(chǎn)品，使加工過程不易控制，能耗增加，效率降低。而擠出溫度太低，會加劇螺桿與料筒的磨損，加重驅(qū)動系統(tǒng)的負載，甚至直接帶來零部件的致命損傷。而一般溫度控制不是十分穩(wěn)定，會使擠出量出現(xiàn)波動，從而使產(chǎn)品的質(zhì)量無法穩(wěn)定。但是，在擠出過程中影響溫度的因素卻又相當復(fù)雜。這就給對溫度的精確與快速控制帶來很大的困難[1，2]。因此，在很多情況下，擠出過程的溫度控制在很大程度上依賴于操作人員和工程師的經(jīng)驗來進行調(diào)整。

2 硬件組成

中央處理單元(CPU)采用CPU315-2DP，帶有個MPI接口和PROFIBUS接口，可以連接編程器、PC機。數(shù)字輸入模塊選用SM321，D132×24VDC，數(shù)字量輸出模塊選用SM322，D032×24V/0.5A。模擬量輸入模板選用SM331，A18×12bit，參數(shù)可通過模板上的量程模塊和用STEP 7設(shè)定;通道按兩路一組劃分，每次只能給一組通道設(shè)定參數(shù);輸入的熱電偶可以是類型N、E、J、K、L。同時可以通過STEP7設(shè)定溫度補償，其可以用內(nèi)部補償，也可用外部補償，外部補償比內(nèi)部補償更精確。本系統(tǒng)中溫度傳感器選用J型熱電偶，其測量范圍適中，線性度較好。相應(yīng)的S7模擬輸入模板上的量程模塊置于位置于”A”。溫度補償方式采用內(nèi)部補償。輸出控制電路是通過固態(tài)繼電器(SSR)調(diào)整功率法完成溫度控制。

3 工作原理

S7-300PLC溫度控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，溫度傳感器(熱電偶)檢測到的料筒、機身和機頭溫度信號，送給溫度模塊。PLC從溫度模塊中讀取溫度值PV與設(shè)定溫度SP進行比較，得到偏差e(t)=SP—PV。如果存在差值，就要對此偏差e(t)按單參數(shù)模糊PID算法進行修正，求得相應(yīng)的控制量mv，去控制固態(tài)繼電器的通斷時間，調(diào)節(jié)電加熱器的加熱功率，從而實現(xiàn)對料筒機身和機頭溫度的控制。

在PID控制中，控制器系數(shù)的整定和自適應(yīng)問題，是提高工業(yè)過程控制品質(zhì)的關(guān)鍵。因而將模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來，使其既具有模糊控制的靈活和適應(yīng)性同時又具有PID控制的精度高的特點。

一般情況下，PID控制器須對PID三個參數(shù)進行調(diào)整才能得到較好的控制效果，但在實際過程中，要對PID三個參數(shù)進行整定，其規(guī)則難以確定，實施較為困難。這種PID模糊控制器分兩步整定PID參數(shù)。第一步，初始PID參數(shù)的整定:先測定被控對象參數(shù)的粗略值，再按對象的可控率為對象分類，同時利用初始值整定規(guī)則確定PID的初始值;第二步，PID參數(shù)的在線整定，監(jiān)控控制系統(tǒng)的響應(yīng)過程，識別控制指標，將其模糊化，結(jié)合用戶的期望、控制目標類型、對象參數(shù)等，運用模糊推理自動進行PID參數(shù)的在線整定。

因為控制對象具有相同的特性，根據(jù)一階傳遞函數(shù)的待點及PLC的編程方式，我們先對PID的初值進行設(shè)定，利用STEP-7對數(shù)據(jù)塊的設(shè)定提前預(yù)制。步驟如下:

(1)計算被控對象的可控率，它是指對象受控的程度，它是對象的純滯后與時間常數(shù)的比值，即:() (1)

(2)得出PID的初始值，控制器的KP、TP1、TD的初始值由下面公式設(shè)定:

，，(2)

K1、K2、K3為設(shè)定系數(shù)，根據(jù)查表得出相應(yīng)的值。Kp0可由Coho—Coon公式求出:

(3)

根據(jù)控制對象的特性參數(shù)K、、T，利用上述公式(3)可求出Kp0。

(3)確立模糊控制的隸屬函數(shù)，在該系統(tǒng)最關(guān)心的控制指標是超調(diào)。根據(jù)系統(tǒng)的特性便可確定單參數(shù)調(diào)整規(guī)則，對超調(diào)量這一指標而言，控制器只調(diào)整一個參數(shù)，因為較、對超調(diào)量影響最大。在單參數(shù)模糊PID控制器用五個模糊集反映超調(diào)量即，PB:正大，PS:正小，ZO:零，NS:負小，NB:負大。針對不同的控制指標，對規(guī)則的類型進行歸類可以提高推理的效率減少編程難度。

(4)上述的結(jié)果再代入表中查出修正系數(shù)，查出的系數(shù)代入下列公式進行計算。

通過對規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運算對P、I、D進行模糊處理再帶入S7中的PID模塊進行PID控制使固態(tài)繼電器按比例通斷達到控制溫度的目的。

4 系統(tǒng)的控制軟件

軟件的控制程序包括讀模擬輸入量程序，PID參數(shù)的模糊化處理，PID控制程序，溫度報警程序四個功能塊。讀模擬輸入量程序塊，把模擬輸入模塊輸入量的讀值，轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H溫度值并順序存入數(shù)據(jù)塊，模擬輸入模塊的起始地址、通道數(shù)、存儲數(shù)據(jù)號及數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)塊中的存儲起始位置均是可變的。在溫度模塊中，一個數(shù)字量代表測量值0.1℃。參數(shù)自整定塊根據(jù)前面介紹的方法整定出三個參數(shù)傳遞給PID控制器CONT_C(功能塊FB41)，CONT_C輸出值送給PLUSE_GEN(功能塊FB43)，PLUSE_GEN輸出為控制固態(tài)繼電器的脈沖信號。溫度報警程序控制測量溫度大于上限值或小于下限值時，分別置位上限或下限報警標志，進行聲光報警。采樣和控制周期由0835進行設(shè)置，對于PID的初始值利用背景數(shù)據(jù)來完成存儲，OB100完成開機時的PID初值的設(shè)定。

5 結(jié)語

利用S7-300實現(xiàn)單參數(shù)模糊PID溫度控制，改變以往利用分離溫控儀表控制擠出機溫度的模式，使溫度控制集中統(tǒng)一、易于操作，同時提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定。模糊控制理論的應(yīng)用提高了控制的精度，改變傳統(tǒng)固定PID參數(shù)在溫度控制中的不足。該系統(tǒng)投入運行后，各項性能指標有較大提高，溫度超調(diào)不超過3℃，靜差小于±1℃，提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力;同時，良好的操作界面，使操作人員可以在較短時間內(nèi)掌握整個操作過程。

參考文獻

[1]楊鵬，臧春華，魏立峰.PLC在擠出機溫度控制中的應(yīng)用[J].微計算機信息，2007，23(28).

[2]陳作炳，余鵬程，劉軍，等.基于模糊理論的塑料擠出機溫度控制系統(tǒng)[J].塑料工業(yè)，2004，32(9).