張振紅

(中國航天集團(tuán)樂凱華光印刷科技有限公司，河南 南陽 473000)

可編程控制器(PLC)是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化支柱之一，近年來發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，在對諸如溫度及流量等過程變量實(shí)施控制時(shí)，一般只需在其基本硬件上另配D/A、A/D模塊，再采用相應(yīng)廠家提供的PID功能塊，設(shè)置好參數(shù)，即可完成控制回路的構(gòu)建。一般廠家只提供標(biāo)準(zhǔn)的PID控制功能塊，其靈活性和適用性不高，對于復(fù)雜的被控對象和工藝要求苛刻的場合，這種常規(guī)填表式的PID方法往往難以獲得滿意的控制效果，而采用自適應(yīng)控制、模糊控制以及神經(jīng)元控制等方法，實(shí)現(xiàn)起來又有種種不便和限制。

1 工藝簡介和控制要求①

銀鹽感光乳劑是一種具有高成像性能和高分辨率的材料，制備好的乳劑經(jīng)過涂布干燥和分切包裝就成為照相膠卷、電影膠片和電子線路制版軟片。在乳劑生產(chǎn)中有稱之為二成熟的重要物理成熟過程，溫度和時(shí)間對感光微晶的生長和形狀(乳劑性能)影響很大。每批次的乳劑生產(chǎn)中，不管是升溫階段，還是恒溫階段，工藝上都不允許有超過±1℃的偏差，升溫過程控制在23min。加熱水箱進(jìn)的是自來水和本身溫度變化不大的熱水(±1.6℃)，控制上采用常規(guī)PID串級實(shí)現(xiàn)方法，基本上能滿足生產(chǎn)工藝要求，溫度控制簡圖如圖1所示。但在2010年，公司引進(jìn)柯尼卡乳劑制備技術(shù)后，溫度偏差極限變?yōu)椤?.5℃，同時(shí)因節(jié)能需要，加熱水箱的熱水改為蒸汽。根據(jù)其他相關(guān)設(shè)備的控制情況來看，如仍采用以前的串級控制，在二成熟釜的恒溫時(shí)段問題不大，但在升溫時(shí)段的末期，溫度超調(diào)將達(dá)到6℃以上，生產(chǎn)根本無法繼續(xù)進(jìn)行。

圖1 成熟釜溫控簡圖

2 對FB41的改進(jìn)和溫度控制策略的實(shí)施

西門子S7-300、400PLC控制器中的PID控制功能塊FB41(包括其他PID功能塊),是基于應(yīng)用定位方面的原因，用于過程變量的串級控制有明顯不足之處，無法和DCS系統(tǒng)中相應(yīng)的功能塊相比，主要是控制上手動(dòng)、自動(dòng)間的無擾切換問題，這給前期調(diào)試和串級控制帶來很大不便。幸運(yùn)的是FB41中過程變量多、對編程人員開放，更重要的是FB41的源代碼很容易找到，這為深入剖析和改造FB41，實(shí)現(xiàn)具有針對性的靈活控制，滿足特定的工藝控制要求提供了條件。在乳劑制備中，一成熟過程溫度控制用的是橫河DCS CS3000R3系統(tǒng)，在現(xiàn)有條件下，靈活的溫度控制策略難以實(shí)現(xiàn)。

2.1 對FB41的改進(jìn)

FB41的具體改進(jìn)措施有：

a. FB41自身雖帶有手動(dòng)到自動(dòng)的切換功能，但不是完全無擾動(dòng)，需另外在手動(dòng)→自動(dòng)時(shí)(瞬間)將過程值PV_IN送給設(shè)定值SV_INT，然后再加一斜坡函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)完善的手/自動(dòng)無擾切換。

b. FB41無自動(dòng)到手動(dòng)的無擾切換功能，通過另外編程，將PID輸出值LMN_PER送給手動(dòng)值MAN,再加一斜坡函數(shù)即可。

c. 以上兩點(diǎn)是針對PID單回路而言的，對于由FB41組成的雙回路串級控制，要實(shí)現(xiàn)主環(huán)和副環(huán)的手動(dòng)、自動(dòng)無擾切換，當(dāng)然要復(fù)雜些，但基本原理一樣。

2.2 控制策略的實(shí)施

由于釜壁、乳劑物性以及乳劑量等原因，和水箱溫度T1相比，乳劑溫度T2出現(xiàn)滯后、非線性的現(xiàn)象，問題的關(guān)鍵集中在對T1的控制上。

首先，在現(xiàn)場確定蒸汽調(diào)節(jié)閥的最大開度(以水箱少量蒸汽溢出為準(zhǔn))。然后參照T2的設(shè)定值SV2 (以影像制版印刷軟片乳劑為例，SV2為72℃)，設(shè)置水箱T1的設(shè)定值SV1為80℃，T1和T2間的差值ΔT為8℃，ΔT值是由相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)確定的，既可滿足對于升溫時(shí)間的要求，又避免了蒸汽的浪費(fèi)，以及因ΔT數(shù)值不當(dāng)，造成對控制的不良影響。

水箱溫度T1被控制在80℃(此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)是單副環(huán)運(yùn)行)，當(dāng)乳劑溫度T2升至70℃時(shí)，T1設(shè)定值SV1再降為72℃。由于整個(gè)水箱和管道容量不大，T1變化迅速，在3min內(nèi)基本穩(wěn)定，然后將主環(huán)投入自動(dòng)，主環(huán)和副環(huán)之間加無擾動(dòng)處理，實(shí)現(xiàn)串級控制，系統(tǒng)很快進(jìn)入恒溫時(shí)段。

以上策略中，蒸汽閥的最大開度、SV1值的設(shè)置和變化、ΔT的大小是關(guān)鍵。實(shí)施這種靈活的控制策略后，升溫時(shí)段的曲線非常理想，完全滿足了工藝要求，這是通常簡單地采用填寫控制參數(shù)、實(shí)現(xiàn)PID串級控制所無法達(dá)到的。

3 結(jié)束語

生產(chǎn)工藝上的特殊要求，需要相應(yīng)的控制策略來實(shí)現(xiàn)，針對銀鹽感光乳劑生產(chǎn)上存在的問題，在對現(xiàn)場設(shè)備、生產(chǎn)工藝十分熟悉的基礎(chǔ)上，打破常規(guī)思維，采用靈活的控制策略，利用西門子S7-300PLC中PID功能塊(FB41)，實(shí)現(xiàn)了對乳劑制備過程中溫度的成功控制。