李斌

(桂林橡膠設(shè)計(jì)院有限公司，廣西 桂林 541004)

1 緒論

1.1 輪胎企業(yè)面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)的挑戰(zhàn)

現(xiàn)在綠色輪胎在全球范圍內(nèi)已成為發(fā)展潮流，其中降低輪胎滾動(dòng)阻力是綠色輪胎的一個(gè)顯著技術(shù)標(biāo)志，是輪胎革新的一個(gè)重要目標(biāo)，因應(yīng)這種需求，各輪胎公司普遍把輪胎輕量化和低斷面輪胎結(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)革新的一個(gè)方向，這就對(duì)工藝控制提出了更加嚴(yán)格的要求。而現(xiàn)有輪胎生產(chǎn)技術(shù)中，輪胎產(chǎn)品中的主要半制品橡膠部件需要采用擠出工藝進(jìn)行生產(chǎn)，半制品擠出過程是生產(chǎn)汽車輪胎必不可少的工藝環(huán)節(jié)，擠出制品的質(zhì)量與精度直接影響到輪胎產(chǎn)品的最終質(zhì)量與精度，也影響到輪胎生產(chǎn)的成本，因此對(duì)半制品擠出部件的精度要求提升到一個(gè)新的等級(jí)，尤其是輪胎標(biāo)簽法的實(shí)施對(duì)輪胎的產(chǎn)品品質(zhì)提出了全新的高標(biāo)準(zhǔn)要求, 輪胎企業(yè)也面臨著轉(zhuǎn)型升級(jí)的挑戰(zhàn).可以預(yù)見，在輪胎半制品擠出領(lǐng)域，高精度擠出的時(shí)代即將到來。

1.2 輪胎半制品擠出傳統(tǒng)生產(chǎn)方式

目前國內(nèi)大部分輪胎廠的輪胎半制品的擠出生產(chǎn)方式為采用“配方式”開環(huán)控制的模式進(jìn)行生產(chǎn)。開環(huán)的控制方式，缺乏自動(dòng)糾偏調(diào)節(jié)能力,不能及時(shí)調(diào)整由于難以避免的各種因素所引起的誤差，即抗擾動(dòng)能力差，其擠出的精確性就差，對(duì)國內(nèi)大部分輪胎廠來說，提升半制品擠出品質(zhì)迫在眉睫。

1.3 提升輪胎半制品擠出品質(zhì)的解決方案

本文論述的控制采用一種串聯(lián)雙閉環(huán)PID算法進(jìn)行速度的雙閉環(huán)控制,能夠有效的解決現(xiàn)有輪胎半制品擠出生產(chǎn)技術(shù)中定型穩(wěn)定性差和擠出精確性差的問題。

2 輪胎半制品擠出傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的問題分析

目前國內(nèi)大部分輪胎廠的輪胎半制品的擠出生產(chǎn)采用的控制方式是傳統(tǒng)的“配方式”開環(huán)控制方式，即由生產(chǎn)人員事先試驗(yàn)出各種制品在一定擠出速度和生產(chǎn)線速度狀態(tài)下的合理速度配比參數(shù)組，以配方的形式保存到工控機(jī)中，工人在日常生產(chǎn)中可以直接地在工控機(jī)中選擇相應(yīng)規(guī)格的“配方”來進(jìn)行生產(chǎn)。但是這些配方是無法完全適應(yīng)復(fù)雜多變的實(shí)際的生產(chǎn)過程，因?yàn)橛泻芏嘁蛩貢?huì)影響擠出穩(wěn)定性和精確性，例如：

（1）由于機(jī)器精度誤差引起的喂料波動(dòng)。

（2）由于調(diào)速器控制電機(jī)誤差引起的擠出機(jī)速度波動(dòng)。

（3）由于煉膠工序的誤差引起的膠料質(zhì)量波動(dòng)。

（4）由于膠料原材料本身的質(zhì)量問題引起的膠料品質(zhì)波動(dòng)。

（5）由于生產(chǎn)操作失誤引起的制品品質(zhì)波動(dòng)。

因此，實(shí)際生產(chǎn)過程中操作人員通常在接取輥道上用鋼板尺測量擠出制品的寬度尺寸（如圖1）,在配方的基礎(chǔ)上手動(dòng)調(diào)整相應(yīng)的生產(chǎn)參數(shù)來使擠出制品保持在工藝許可的誤差范圍內(nèi)。這是一種開環(huán)生產(chǎn)方式，依賴于人工的反饋和人工的調(diào)節(jié)，通常其響應(yīng)很難做到及時(shí)，即抗擾動(dòng)能力差，另外這種開環(huán)生產(chǎn)方式通常缺乏系統(tǒng)的過程控制方法與生產(chǎn)條件規(guī)范,很難實(shí)現(xiàn)真正的穩(wěn)定可控的配方生產(chǎn),而且這種生產(chǎn)方法對(duì)工人的素質(zhì)和認(rèn)真態(tài)度的依賴程度高，往往會(huì)出現(xiàn)不同的班組在同一臺(tái)設(shè)備上所生產(chǎn)出來的制品品質(zhì)參差不齊的現(xiàn)象。

圖1 人工測量制品圖

3 章串聯(lián)雙閉環(huán)PID控制的方法與優(yōu)勢

3.1 串聯(lián)雙閉環(huán)PID控制方法簡述

串聯(lián)雙閉環(huán)PID控制方法包含兩套反饋閉環(huán)控制，分別是制品測速反饋閉環(huán)控制和連續(xù)秤稱重反饋閉環(huán)控制，其中連續(xù)秤稱重反饋閉環(huán)控制的被控量作為制品測速反饋閉環(huán)控制設(shè)定值的一部分?？刂品椒ㄈ缦?

3.1.1 制品測速反饋閉環(huán)控制

通過編碼器測速裝置來實(shí)時(shí)檢測擠出機(jī)口型出來的制品線速度，通過PID閉環(huán)控制算法直接調(diào)節(jié)接取線速度使接取線速度與制品線速度的比率保持穩(wěn)定,可以在一定程度上去消除設(shè)備本身固有誤差和膠料性能變化等可預(yù)見性誤差帶來的波動(dòng)。

3.1.2 稱重反饋閉環(huán)控制

通過接取輥道后面的連續(xù)秤的實(shí)時(shí)反饋制品重量,通過PID閉環(huán)控制算法調(diào)節(jié)接取線速度與制品線速度的比率值的設(shè)定,間接調(diào)節(jié)接取線速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)制品的重量偏差進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償,使米重穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)值附近，去消除不可預(yù)見性誤差引起的制品重量波動(dòng)。

3.2 串聯(lián)雙閉環(huán)PID控制的優(yōu)勢

雙閉環(huán)配合代替人工對(duì)生產(chǎn)線速度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)及時(shí)化、智能化的隨動(dòng)控制，具有抗擾動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)橡膠制品的穩(wěn)定精確擠出。

4 串聯(lián)雙閉環(huán)PID控制的方案實(shí)施

4.1 控制方案綜述

一條完成的常規(guī)擠出生產(chǎn)線通常包括供料機(jī)、擠出機(jī)、擠出工具、接取收縮裝置、稱重裝置、冷卻、PLC系統(tǒng)等。在常規(guī)擠出生產(chǎn)線上的擠出機(jī)的口型外側(cè)增加一套測速裝置（如圖2）,在原PLC控制系統(tǒng)里增加高速計(jì)數(shù)器模塊，在原PLC程序里增加速度PID控制算法功能塊，就可以實(shí)施串聯(lián)雙閉環(huán)PID控制的方案。下文將詳細(xì)論述基于西門子控制系統(tǒng)的串聯(lián)雙閉環(huán)PID控制在胎面半制品擠出生產(chǎn)線上的方案實(shí)施。

4.2 控制方案的具體實(shí)施

比 例（Proportion）、積 分(Integral)、和 微 分(Differential)控制簡稱PID控制器，問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便，實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及理論分析充分證明，這種控制方法在相當(dāng)多的工業(yè)對(duì)象中，都能得到滿意的控制效果。

本文論述的控制系統(tǒng)是通過兩個(gè)串聯(lián)的PID控制閉環(huán)來提高設(shè)備的抗擾動(dòng)能力和擠出精確性，分別為制品測速反饋閉環(huán)控制和連續(xù)秤稱重反饋閉環(huán)控制，第一個(gè)控制器（主控制器）根據(jù)過程變量的實(shí)際錯(cuò)誤影響第二個(gè)串行控制器（從控制器）的設(shè)定值，兩個(gè)控制器串行連接進(jìn)行控制，本文串聯(lián)的主控制器是指連續(xù)秤稱重反饋閉環(huán)控制，從控制器是指制品測速反饋閉環(huán)控制，控制框圖如下 (如圖3)：

圖3 串聯(lián)雙閉環(huán)PID控制框圖

4.2.1 擠出制品測速反饋閉環(huán)控制（從控制器）

其原理是通過測速輥來實(shí)時(shí)檢測制品出來的線速度，即反映了制品實(shí)際的擠出速度，利用該速度可以在制品擠出的線速度與接取、收縮一段線速度之間建立起直接的實(shí)時(shí)的速度跟隨，實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)控制，在一定程度上去消除機(jī)械、電氣其本身固有可預(yù)見性誤差帶來的波動(dòng)，以確保制品的穩(wěn)定擠出。

該控制功能需與前文所述松弛擠出口型配合使用。具體實(shí)施方式如下：

（1）制品擠出速度檢測的實(shí)現(xiàn)。

在擠出機(jī)的口型出口處安裝一根測速輥(自由輥),并與一個(gè)高精度旋轉(zhuǎn)編碼器連接起來，如歐姆龍E6B2-CWZ1X 1500P/R.制品從口型“擠出”后帶動(dòng)測速輥轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，編碼器用于將口型測速輥的轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)換為制品擠出線速度。

在原PLC機(jī)架上增加西門子的高速計(jì)數(shù)器模塊FM350-1，前述的歐姆龍編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)出的脈沖信號(hào)被接進(jìn)此高速計(jì)數(shù)模塊。

注意，F(xiàn)M350-1硬件安裝前將 CPU 切換到STOP 模式，然后關(guān)閉電源再安裝。如果要在高速計(jì)數(shù)器模塊后面安裝其它模塊，須將其后模塊的擴(kuò)展總線連接到 FM350-1 的右邊背板總線連接器。如果是后面沒有模塊了，就不要再連接擴(kuò)展總線。

高速計(jì)數(shù)器模塊FM350-1軟件配置方法如下：利用STEP7編程軟件在原PLC控制系統(tǒng)組態(tài)里增加FM350-1，并配置所連接編碼器參數(shù)(圖4)。

圖4 高速計(jì)數(shù)器模塊配置參數(shù)圖

然后在PLC內(nèi)部用程序把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成制品的實(shí)時(shí)線速(m/min)放進(jìn)變量MD340，控制算法如下（圖5）：

圖5 制品速度檢測轉(zhuǎn)換程序

（2）制品測速反饋閉環(huán)控制的實(shí)現(xiàn)。

本閉環(huán)控制目標(biāo)是保持接取線速度與制品線速度之間的比率穩(wěn)定在設(shè)定值附近。對(duì)制品測速值MD340每100 ms采樣一次，半秒求一次平均值作為實(shí)際制品測速用值。算出兩者速度比率實(shí)際值存入臨時(shí)變量#TEMP1，作為PID控制實(shí)際值，把想要的最適合生產(chǎn)實(shí)際的比率設(shè)定值存入臨時(shí)變量#TEMP2（后述主控制器將對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)控制），作為PID控制設(shè)定值，然后進(jìn)行PID控制運(yùn)算，控制算法如下（圖6）。

圖6 制品測速反饋PID控制程序

圖7 米重抽樣均值自動(dòng)計(jì)算程序

在PLC內(nèi)部，PID程序根據(jù)控制器設(shè)定值、實(shí)際值兩者的偏差量進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，給出調(diào)節(jié)量MD348來自動(dòng)調(diào)節(jié)接取線速度，使#TEMP1和#TEMP2保持基本一致，從而保證持接取線速度與制品線速度之間的比率穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的擠出。

4.2.2 連續(xù)秤稱重反饋閉環(huán)控制（主控制器）

本閉環(huán)控制是基于接取線速度與制品線速度的比率變化對(duì)制品重量有直接的影響的原理，通過接取輥道后面的連續(xù)秤的實(shí)時(shí)反饋制品重量，通過PID閉環(huán)控制算法調(diào)節(jié)接取線速度與制品線速度的比率的設(shè)定值,利用前述從控制器來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)接取線速度的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)制品的重量偏差進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，使連續(xù)秤的實(shí)時(shí)制品重量保持穩(wěn)定在配方標(biāo)準(zhǔn)重量設(shè)定值附近，去消除不可預(yù)見性誤差引起的重量波動(dòng)。具體實(shí)施方式如下：

（1）連續(xù)秤稱量米重值的處理

因?yàn)槊字卦趯?shí)時(shí)變化，為更好的判斷米重的變化趨勢，增強(qiáng)反饋調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，須對(duì)米重值進(jìn)行周期性取樣，計(jì)算均值,以此為反饋量。

為了計(jì)算均值，在PLC內(nèi)部建立一數(shù)據(jù)塊來存儲(chǔ)米重抽樣值，通過編寫程序，采用先進(jìn)先出的方式進(jìn)行周期性更新，并自動(dòng)計(jì)算米重均值存入變量MD916（圖5）。

（2）連續(xù)秤稱重反饋控制的實(shí)現(xiàn)

把來自配方里的想要的標(biāo)準(zhǔn)重量設(shè)定值存入臨時(shí)變量#TEMP0，作為PID控制設(shè)定值，把上述（1）里面計(jì)算得到的米重均值MD916作為PID控制實(shí)際值，然后進(jìn)行PID控制運(yùn)算，控制算法如下（圖8）。

圖8 連續(xù)秤稱重反饋PID控制程序

在PLC內(nèi)部，PID程序根據(jù)控制器設(shè)定值、實(shí)際值兩者的偏差量進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算,自動(dòng)算出調(diào)節(jié)量MD888,然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果的實(shí)際需求對(duì)調(diào)節(jié)量MD888進(jìn)行工程化處理后存入臨時(shí)變量#TEMP3；然后把來自配方的接取線速度與制品線速度的比率的設(shè)定值MD388工程化處理后與#TEMP3相減，結(jié)果存入臨時(shí)變量#TEMP2作為前述從控制器的設(shè)定值（實(shí)現(xiàn)串聯(lián)控制，圖9），以此來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)從控制器的設(shè)定值,使連續(xù)秤的實(shí)時(shí)制品重量保持穩(wěn)定在配方標(biāo)準(zhǔn)重量設(shè)定值附近。

圖9 從控制器的設(shè)定值調(diào)節(jié)程序

（3）控制效果的細(xì)節(jié)優(yōu)化

為了抑制由于連續(xù)秤本身造成的稱重的小的、恒定的振蕩，偏差設(shè)置了一個(gè)死區(qū)（DEADBAND），即重量在死區(qū)范圍內(nèi)波動(dòng)，控制器就不做調(diào)節(jié)運(yùn)算。為了獲得更好的調(diào)節(jié)效果，可在PID運(yùn)算程序里，找到合理的死區(qū)值賦給#TEMP4，設(shè)置DEADB_W=#TEMP4，使自動(dòng)調(diào)節(jié)更穩(wěn)定。

另外，可以對(duì)死區(qū)以外的重量波動(dòng)劃分幾個(gè)區(qū)域，不同的區(qū)域賦不同的比例增益系數(shù)值給MD896，設(shè)置GAIN=MD896，使自動(dòng)調(diào)節(jié)響應(yīng)更及時(shí)。

5 結(jié)論

半制品部件的穩(wěn)定性、精確性、低收縮性是制造高性能輪胎的強(qiáng)大基礎(chǔ)保證，本文論述的輪胎半制品擠出涉及到的串聯(lián)雙閉環(huán)PID控制方法，在某工廠的全鋼胎面擠出生產(chǎn)線上的實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

串聯(lián)雙閉環(huán)PID實(shí)際控制效果如下(圖10)：連續(xù)秤重量實(shí)時(shí)曲線，重量波動(dòng)在±1.0%左右。

圖10 串聯(lián)雙閉環(huán)PID實(shí)際控制效果圖

經(jīng)過工廠實(shí)踐，采用本方案生產(chǎn)出來的輪胎半制品部件在穩(wěn)定性、精確性方面都有顯著提升，可有效提升成型效率和質(zhì)量，提高產(chǎn)品品質(zhì)。