PLC控制的涂布机同步

基于PLC和模糊控制的涂布机同步控制系统

2004-12-24 10:43:00

摘要：薄纸在涂布过程中存在张力小，容易拉断的问题，通过PLC和变频器结合控制，加上PID和模糊控制变系数相结合的算法，在实际连续生产中得到了较好的评价。

关键词：PLC；变频器；PID；模糊控制；涂布同步控制

1 前言

造纸企业大多面临着经济效益低、环保压力大的困境，特别是2001年以来环保执法监督、检查力度加大，许多造纸厂化学制浆被关停，中小型造纸企业倍感生存困难。开发特种用纸，有利于治理污染、保护环境，而且技术含量高，附加值高，可以使企业产值效益大幅增长。涂布纸就是其中一种附加值比较高的特种纸。

本例薄纸在涂布过程中，纸张能承受的张力很小，经过料液之后，湿纸的强度进一步降低，对涂布机运转同步的要求需相应地提高，对于同步控制的程序设计要求很高。

2 涂布系统生产过程

薄纸涂布机的构造见图1。纸张从退纸架上退出，经施胶辊涂布后，进入烘箱烘干，在经张力辊，检测张力最后上烘缸进行收卷。开机时全机处在引纸状态。当纸张引上烘缸后就将烘缸状态切换到自动运行状态，开始进行提速，在指定时间内到达指定车速。速度由加速增量和PID输出值累加而成，此时同步控制要求张力辊在中间位置小范围内波动，确保纸张张力适宜。张力变化过大，容易造成纸张起皱，甚至于断裂，影响纸张的质量和生产的连续性。

3 同步控制系统

整个同步控制系统中，控制框图如图2所示。PLC根据各电机的状态信号，以及采集到的各电机速度脉冲和当前张力辊所在位置进行PID同步计算，计算出各电机的速度增减量，再输出给变频器，由变频器控制调节各电机的转速，使张力辊稳定在中间位置，保证纸张的生产质量。

在正常生产时烘缸速度是由张力辊位置控制的。当烘缸速度慢于施胶辊时，纸张出现堆积现象，张力辊失去了纸张张力的支撑开始下滑，此时PID根据张力辊的偏差对烘缸进行

提速；相反烘缸速度快于施胶辊时，张力辊被纸张张力往上拉，PID控制烘缸减速。

张力辊位置与张力辊在引纸状态指定位置的偏差e做为计算PID时的输入值，输出为速度增量△U。PID计算按照以下公式进行：

△Up、△Ui、△Ui分别是比例、积分和微分计算增量，Kp、Kd分别是比例系数和微分系数，Ti，和T则是积分时间和采样时间。

在系统提速过程中，由于加速时间和指定运行速度都是人为设定的，可能会出现加速时间过短造成加速过快。PID只能在有限范围内调节，当加速过快时，PID降低烘缸速度还没反映出来，给定的加速增量已经作用于烘缸，此时PID调节已经完全不起作用，纸张很容易被拉断。

因此增加烘缸变系数K来协调与PID的同时控制，即：△δ＝K△δ，△δ为加速增量；当张力辊处于设定位置，即为50％的位置，e＝0，K＝1，显然此时PID不起作用，烘缸和施胶辊同步加速；当张力辊处于最高点或最低点时，K值为0，加速增量对于烘缸不起作用，只有PID进行调节烘缸的速度，使得张力辊恢复到平衡位置。所以增加烘缸变系数K后，消除了加速增量对于PID的影响，从而保证了同步问题。

对于K值在0～1变化时，使用模糊控制来确定。偏差e和偏差变化量ec做为模糊控制的输入。张力辊位置值str的范围为[0，1]，张力辊位置偏差值e的范围为[—0．5，0．5](以[0，0．5]为例)，偏差变化值ec的范围为[—0．2，0．2](实际生产中张力辊位置的变化值相当小)，K值变化范围为[0，1]。将各变量范围划分为7个区间，表示为NB、NM、NS、CE(中点)、PS、PM、PB(由小到大)，每个区间对应一个隶属函数。隶属函数取三角函数(如图3)。

模糊变量的赋值表略。根据实际控制经验，经过模糊推理得出模糊控制规则，建立如下模糊控制表1。

根据输入的偏差e及隶属函数图，可得包含偏差e的各输入模糊区间及各输入模糊区间相对应的隶属函数值μe(i)。同理得出包含偏差变化量ec的各输入模糊区间及各输入模糊区间相应的隶属函数值μc(i)，由偏差e和偏差变化量ec的各输入模糊区间，查模糊控制表得出各对应的输出模糊集。输出模糊集中各隶属函数值μu(i)是输入模糊区间的各相应隶属函数值的乘积，即：

模糊控制量输出采用中心平均模糊消除公式，把控制量由模糊量变为精确量，得到在区间(0，1)中相应的烘缸变系数K值。

为区间U(i)上中心点的取值(中心点的定义：该区间中使得隶属函数值达到单位值1的所有点中，(横轴)绝对值最小的点为中心点)，M是模糊控制表中对应模糊规则的数目。

由于指定速度和加速时间都是人为设定的，在正常连续生产中需要经常变动，因此加入了定时器。指定速度一有变化，定时器就置零开始工作，根据指定速度的变化量来计算加速增量，以这个加速增量为基础对这个系统进行提速，同时同步控制算法保证整个系统生产的连续性。

总的同步控制算法框图如图4。

4 结束语

使用如上介绍的PID和模糊控制变系数相结合的算法，很好地达到了同步效果；加上使用PLC和变频器，保证了控制的灵活性、准确性和可靠性。整个薄纸涂布同步控制系统在实际连续生产中得到了较好的评价。（鲁伟麻红昭冯亮方一平）