自整定PID在塑料包裝機同步控制系統中的應用

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中的應用。針對塑料包裝機生產線頻繁啟停廢品率高的特點，提出了基于自整定PID算法并結合西門子S7_300 PLC，實現了多電機同步控制的方案。應用結果表明，該系統能明顯提高產品的成品率，降低成本。

關鍵詞：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，經過染色并烘干，然后根據客戶需求把袋子剪切陳需要長度，經過傳送轉向，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算法并結合西門子S7_300 PLC，實現了各個電機之間相同線速度的控制方案。

2 方案設計

2.1 工藝要求和總體方案

依據上述工藝的描述，為了提高產品質量以及成品率，如何設計控制系統是主要關鍵點。根據塑料包裝機的特點，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。該系統軟件以STEP7為基礎，人機畫面通過軟件Flexible來實現。硬件部分以西門子觸摸屏OP270-10作為人機交互界面，完成了參數的修改和監視， PLC負責所有數據采集和算法實現。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通過DP總線和PLC之間進行通訊，以實現每臺電機的同步控制。

2.2 自整定PID

由于塑料包裝機生產線機械動作比較多，在生產過程中各個機械設備都帶有不規則的凸輪機構。每次停機后，機械系統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。這就使得我們常規的PID參數不能適應這種變化的控制對象，不能達到最優化的控制理念，因此產品的成品率就很難提高。為此，我們將工程師經驗庫與常規PID相結合，使其PID參數在每次開機后都能自我調整，以便達到最優控制。

自整定PID控制器是一種在常規PID控制器的基礎上，結合工程師經驗根據被控對象在線修改參數，這樣可以根據被控對象不同的絕對誤差和絕對誤差率，在線調整參數kp、ki和kd，使其根據被控對象的變化而變化，以滿足工業控制的要求，其結構如圖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，以提高產品的合格率。我們將變頻器和編碼器組成閉環控制回路，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。PLC根據變頻器實際的速度誤差變化和誤差變化率，根據工程師經驗整定PID參數，在通過DP總線傳輸給變頻器，以實現變頻器速度環PID參數的自整定，從而達到控制目的。

對于PID參數的制定，需要根據工程師的經驗，有以下三點要求：

（1）當絕對誤差較大時，為了使控制系統響應快速，超調量小，而且也不能出現積分飽和的現象，我們使比例較大和縮小微分，并取消積分時間。

（2）當絕對誤差和絕對誤差率是一般大小時，我們為了減少控制系統的超調量， 應該減小比例值。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的相應速度。

（3）當絕對誤差較小時，我們需要提高比例值和積分時間，而且微分時間需要根據絕對誤差率的大小來選擇。當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的穩態性能和震蕩。

在現場工程師調試完成后，把各種負載情況下的最優化PID參數通過列表的方式建立數據塊。PLC可以根據不同的絕對誤差和絕對誤差率，按照規則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）來選擇PID參數。

2.3 軟件設計

2.3.1 程序設計

本次應用設計借助于西門子300編成軟件Step7，編程采用結構化的方式，相同的功能塊，采用統一FB塊，所有的子系統通過總的OB1組織塊來統一調用。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，經過計算得出來電機的位置差并調節電機的速度，實現同步控制。

2.3.2 同步控制實現

根據本工藝的特點，每臺電機配備一個ACS880變頻器和一個旋轉編碼器。生產時，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。電機旋轉一周發出一個脈沖信號，其信號由帶診斷功能的SM321采集并送給PLC。

當位置開關發出信號時，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，計算出實際應該調節的速度并通過DP傳輸給變頻器，變頻器根據PLC傳輸過來的目標值與實際自動調整電機速度使其同步。

根據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，電機速度調節大小有同步系數來控制，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根據生產要求所設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，那么當電機的同步絕對誤差小于此值時，變頻器不做調整，反之需要調整，調整的方法可以根據下列計算公式計算：

根據最終的速度公式，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控制。PLC通過通訊修改變頻的速度環PID參數，從而解決了負載變化較大的問題，實現了自整定PID控制。

3 結束語

現場應用結果表明，通過此控制方案，使得產品的成品率從70%提高到了95%以上，取得了較好應用效果，值得推廣，為企業帶來了良好的經濟效果。

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。