自整定PID在塑料包装机同步控制系统中的应用

董超+郑芳琴

摘 要：文章介绍了自整定PID在塑料包装机同步控制系统中的应用。针对塑料包装机生产线频繁启停废品率高的特点，提出了基于自整定PID算法并结合西门子S7_300 PLC，实现了多电机同步控制的方案。应用结果表明，该系统能明显提高产品的成品率，降低成本。

关键词：自整定PID；塑料包装机；同步控制；PLC

1 塑料包装机工艺简介

塑料包装机从塑料卷开始，经过染色并烘干，然后根据客户需求把袋子剪切陈需要长度，经过传送转向，在粘贴部分打开封口挤压并折叠粘贴，最后成型出袋，如图1所示。

为保证袋子从开始印刷到最后的成品具有较高的成品率，所以机器每个部位都要严格地按线速度同步，而且不同部分的驱动电机功率大小差异比较大，特别在剪切的部位。由于机械上要产生大剪切力，所以安装了凸轮装置，这使得电机的负载变化是一个非线性的，对变频器的控制影响很大。因此，提出了基于自整定PID算法并结合西门子S7_300 PLC，实现了各个电机之间相同线速度的控制方案。

2 方案设计

2.1 工艺要求和总体方案

依据上述工艺的描述，为了提高产品质量以及成品率，如何设计控制系统是主要关键点。根据塑料包装机的特点，在本工艺中，我们必须要保证传动部各个电机之间要同时启动和停止，并且各个电机之间的线速度差不超过0.5MM/S 。

因此，我们采取以西门子300PLC（6ES7 315-2EH13-0AB0）为核心的集散控制系统。该系统软件以STEP7为基础，人机画面通过软件Flexible来实现。硬件部分以西门子触摸屏OP270-10作为人机交互界面，完成了参数的修改和监视， PLC负责所有数据采集和算法实现。电机的速度控制，我们使用ABB的ACS880系列变频器。变频器的速度控制等参数通过DP总线和PLC之间进行通讯，以实现每台电机的同步控制。

2.2 自整定PID

由于塑料包装机生产线机械动作比较多，在生产过程中各个机械设备都带有不规则的凸轮机构。每次停机后，机械系统的负载都不能做到完全一直。因此，在下一次开机时，我们的控制对象就有所变化。这就使得我们常规的PID参数不能适应这种变化的控制对象，不能达到最优化的控制理念，因此产品的成品率就很难提高。为此，我们将工程师经验库与常规PID相结合，使其PID参数在每次开机后都能自我调整，以便达到最优控制。

自整定PID控制器是一种在常规PID控制器的基礎上，结合工程师经验根据被控对象在线修改参数，这样可以根据被控对象不同的绝对误差和绝对误差率，在线调整参数kp、ki和kd，使其根据被控对象的变化而变化，以满足工业控制的要求，其结构如图2所示。

基于塑料包装机的特点，我们选用自整定PID的基本可以解决机械负载不恒定的问题，以提高产品的合格率。我们将变频器和编码器组成闭环控制回路，提高变频器的输出精度。变频器之间的速度匹配，我们通过DP总线与PLC通讯来实现。PLC根据变频器实际的速度误差变化和误差变化率，根据工程师经验整定PID参数，在通过DP总线传输给变频器，以实现变频器速度环PID参数的自整定，从而达到控制目的。

对于PID参数的制定，需要根据工程师的经验，有以下三点要求：

（1）当绝对误差较大时，为了使控制系统响应快速，超调量小，而且也不能出现积分饱和的现象，我们使比例较大和缩小微分，并取消积分时间。

（2）当绝对误差和绝对误差率是一般大小时，我们为了减少控制系统的超调量， 应该减小比例值。积分时间和微分时间要选择合适大小，这样才可以保证控制系统的相应速度。

（3）当绝对误差较小时，我们需要提高比例值和积分时间，而且微分时间需要根据绝对误差率的大小来选择。当绝对误差率比较大时，微分要取小点，反之取大点，这样才能保证控制系统的稳态性能和震荡。

在现场工程师调试完成后，把各种负载情况下的最优化PID参数通过列表的方式建立数据块。PLC可以根据不同的绝对误差和绝对误差率，按照规则If |e| is A and |ec| is B， then kP is C， ki is D， kd is E.（其中：A和B为实际速度和给定速度比较值，C，D，E为新的PID参数）来选择PID参数。

2.3 软件设计

2.3.1 程序设计

本次应用设计借助于西门子300编成软件Step7，编程采用结构化的方式，相同的功能块，采用统一FB块，所有的子系统通过总的OB1组织块来统一调用。这样编写可以大大减少相同功能程序的编写量，提高代码人员的工作效率。由于本塑料包装机对实时性要求比较高，所以我们采用优先级最高的硬件中断来接受各个电机的位置传感器信号。PLC拿到这个信号后，经过计算得出来电机的位置差并调节电机的速度，实现同步控制。

2.3.2 同步控制实现

根据本工艺的特点，每台电机配备一个ACS880变频器和一个旋转编码器。生产时，我们按照传动功率最大的电机作为主电机，其他作为从电机，并且在每个电机的机械传动处安装位置开关。电机旋转一周发出一个脉冲信号，其信号由带诊断功能的SM321采集并送给PLC。

当位置开关发出信号时，SM321接收信号并硬件中断，PLC判断信号是否同时到达。通过计算时间差，计算出实际应该调节的速度并通过DP传输给变频器，变频器根据PLC传输过来的目标值与实际自动调整电机速度使其同步。

根据主电机和从电机采用相同给定值，主电机的为主，从电机的位置和其比较得到误差值，再将误差值相加到从电机上，电机速度调节大小有同步系数来控制，其原理如图3所示。

图3中：S1和S2为一组位置信号，；VSP为主电机给定速度；TA根据生产要求所设定的从电机同步时间；KP为主从电机速度比，KP=P1/P2（P1和P2分别为两台电机速度给定值）；BP为变频器；M三相异步交流电机；FB为编码器。

如果△ES为允许误差范围，那么当电机的同步绝对误差小于此值时，变频器不做调整，反之需要调整，调整的方法可以根据下列计算公式计算：

根据最终的速度公式，PLC计算出来后，同过DP总线给变频器控制电机的速度给定，并且编码器与变频器形成闭环控制。PLC通过通讯修改变频的速度环PID参数，从而解决了负载变化较大的问题，实现了自整定PID控制。

3 结束语

现场应用结果表明，通过此控制方案，使得产品的成品率从70%提高到了95%以上，取得了较好应用效果，值得推广，为企业带来了良好的经济效果。

参考文献

[1]刘乘，李晓钢.PLC在包装机械上的应用[J].包装工程，2004，

25（2）：4-6.

[2]王孟效，孙瑜，汤伟，等.纸浆造纸过程测控系统及工程[M].北京：化学工业出版社，2003.

[3]西门子（中国）有限公司.S7_300可编成序控制器系统手册[Z].2005.

[4]ABB（中国）有限公司.ACS800固件手册[Z].

[5]温玉春基.于模糊PID的包装机热封切刀温度控制[J].包装工程，2016，38（3）：109-113.

作者简介：董超（1981，7-），男，汉族，陕西咸阳人，陕西西微测控工程有限公司，硕士研究生，主要研究方向：控制理论与控制工程。