基于窗口控制思想的包裝機(jī)加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉懌凡，石慶升

（河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，鄭州450001）

煙草高速熱收縮膜包裝機(jī)均配有加熱烘箱，以保證高溫完成塑料薄膜的熱收縮，從而實(shí)現(xiàn)卷煙的分類包裝。煙草行業(yè)倡導(dǎo)的綠色環(huán)保理念促成了煙草高速熱縮膜包裝機(jī)的產(chǎn)生。對(duì)于煙草高速熱收縮膜包裝機(jī)研究改進(jìn)，從而提升煙草包裝效率是煙草類企業(yè)的重要課題。與普通膜包機(jī)相比，高速煙草膜包機(jī)速度為24000 條/時(shí)，實(shí)現(xiàn)了真正的高速化、自動(dòng)化包膜作業(yè)。煙草高速熱收縮膜包裝機(jī)具有自動(dòng)輸送、套膜、封口、收縮、冷卻的一體化過程，可以完成1～30 條香煙自動(dòng)任意組合、疊層塑膜包裝[1]。

1 包裝機(jī)加熱系統(tǒng)現(xiàn)有工作特性分析

煙草高速熱收縮膜包裝機(jī)如圖1所示。對(duì)于包裝機(jī)設(shè)備中的烘箱加熱系統(tǒng)而言，目前多是采用的PLC 控制的多溫區(qū)加熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)存在大滯后、慣性大、延遲長等明顯缺陷，且溫區(qū)間的耦合現(xiàn)象十分嚴(yán)重，溫度控制精度低，熱量損耗大，由此造成了嚴(yán)重的電能損耗。此外，當(dāng)一根加熱棒或多根加熱棒損壞時(shí)，包裝機(jī)溫度控制參數(shù)的設(shè)置不能根據(jù)元件損壞的數(shù)量或程度及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，從而導(dǎo)致設(shè)備停產(chǎn)的后果。

圖1 煙草高速熱收縮膜包裝機(jī)Fig.1 Tobacco high speed thermal shrink filmpackaging machine

目前，煙草物流配送部門現(xiàn)有的熱收縮膜包裝機(jī)烘箱沒有相應(yīng)的監(jiān)測(cè)裝置，如果在使用過程中出現(xiàn)故障，只能等到溫度值自然降到標(biāo)準(zhǔn)以下（即大部分熱導(dǎo)管損壞）后才能進(jìn)行維護(hù)。烘箱內(nèi)設(shè)有導(dǎo)熱管，由于導(dǎo)熱管是易損件，當(dāng)烘箱內(nèi)的大部分導(dǎo)熱管損壞、達(dá)不到預(yù)期溫度值時(shí)，分揀設(shè)備將會(huì)停機(jī)，導(dǎo)致故障處理時(shí)間大大增加，造成停產(chǎn)損失[2]。鑒于上述原因，許多煙草物流配送部門迫切需要對(duì)熱收縮膜包裝機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)置相關(guān)的報(bào)警程序，當(dāng)溫度超過設(shè)定的閾值時(shí)，觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)其控制對(duì)象進(jìn)行冷卻，并研究出相應(yīng)的算法提高溫度控制精度，以減少熱量損耗。

2 溫度控制系統(tǒng)的工作原理

溫度控制系統(tǒng)由可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC（programmable computer controller）進(jìn)行控制。該系統(tǒng)的控制原理如下：首先，將溫度傳感器讀取的當(dāng)前溫度信號(hào)發(fā)送至溫度輸入模塊 （X20AT6402），將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后發(fā)送至中央處理器控制器模塊。PCC 將設(shè)定溫度與讀取的實(shí)際溫度進(jìn)行比較，通過對(duì)角矩陣解耦方法執(zhí)行多溫度區(qū)解耦，并在當(dāng)前窗口中執(zhí)行變量優(yōu)化。然后，實(shí)施當(dāng)前策略，把PWM 信號(hào)傳送到2 個(gè)輸出模塊 （X20DO4322 控制加熱器加熱，X20DS1119 控制風(fēng)扇工作冷卻），CPU再通過232 傳輸方式，把溫度輸入模塊讀取的實(shí)際溫度和設(shè)定的溫度顯示在虛擬網(wǎng)絡(luò)控制臺(tái)VNC（virtual network console）人機(jī)交互界面上。在此所用的貝加萊溫控裝置如圖2所示，溫度控制系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖2 貝加萊溫控裝置Fig.2 B&R temperature control device

圖3 多溫區(qū)溫度控制系統(tǒng)模型Fig.3 Multi-temperature zone temperature control system model

3 算法設(shè)計(jì)

3.1 多變量解耦控制算法

在所述溫度控制系統(tǒng)中，由于存在多個(gè)溫區(qū)，溫區(qū)1、溫區(qū)2、溫區(qū)3 間隔很近，因此當(dāng)溫區(qū)1 加熱必定會(huì)使溫區(qū)2 和溫區(qū)3 的溫度受到影響，從而發(fā)生耦合現(xiàn)象。在這些溫區(qū)相互作用強(qiáng)耦合的情況下，對(duì)其進(jìn)行有效的控制是一個(gè)重點(diǎn)，如果不進(jìn)行解耦控制，會(huì)導(dǎo)致加熱時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的超調(diào)現(xiàn)象。

被控對(duì)象的3 個(gè)溫區(qū)存在耦合現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖中，U1為溫度區(qū)域1 的設(shè)定溫度；U2，U3為區(qū)域2，區(qū)域3 的溫度；G11，G22，G33分別為溫區(qū)1，溫區(qū)2，溫區(qū)3 的加熱過程；Gij為溫區(qū)j 加熱時(shí)對(duì)溫區(qū)i 的影響；Y1，Y2，Y3分別為溫區(qū)1，溫區(qū)2，溫區(qū)3 控制器輸出的溫度。

圖4 耦合現(xiàn)象結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of coupling phenomena

對(duì)角矩陣解耦方法是以控制對(duì)象的矩陣與解耦補(bǔ)償矩陣的乘積為對(duì)角矩陣作為依據(jù)。如圖所示，要解除耦合，需要設(shè)計(jì)一個(gè)解耦器，使得對(duì)于3 個(gè)溫區(qū)，1 個(gè)溫區(qū)加熱時(shí)對(duì)其它2 個(gè)溫區(qū)的輸出影響為0。在此，以僅考慮2 個(gè)溫區(qū)的加熱、溫區(qū)之間的耦合來說明對(duì)角陣解耦的原理。根據(jù)解耦原理，有

當(dāng)滿足對(duì)角矩陣法，解耦矩陣N 應(yīng)該滿足：

若各溫區(qū)存在耦合性，首先是

可得解耦矩陣為

因此，在加入解耦矩陣后，2 個(gè)溫區(qū)的被控對(duì)象結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 加入解耦器的被控對(duì)象Fig.5 Controlled object with decoupler

以上是針對(duì)2 個(gè)溫區(qū)的耦合。同理，針對(duì)更多溫區(qū)的情形，均可采用該對(duì)角陣解耦方法來求解解耦矩陣。不過，變量越多，求解的計(jì)算量就會(huì)越大，解耦難度就會(huì)增加。

3.2 窗口控制思想概述

在操作的每個(gè)步驟中，根據(jù)檢測(cè)到的變量信息生成優(yōu)化目標(biāo)。在當(dāng)前窗口內(nèi)執(zhí)行變量優(yōu)化。然后實(shí)施當(dāng)前策略，向下執(zhí)行窗口命令，及時(shí)獲得反饋信息，實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算中優(yōu)化和反饋的結(jié)合。

實(shí)時(shí)溫度控制調(diào)節(jié)如圖6所示。該部分通過溫度精度偏差設(shè)置，結(jié)合PWM 控制風(fēng)扇進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果不能實(shí)現(xiàn)理論上計(jì)算的脈沖或暫停持續(xù)時(shí)間，則在隨后的時(shí)間段內(nèi)校正得到的誤差。該功能可以精確地傳輸任何輸入信號(hào)，并調(diào)節(jié)到合適的參數(shù)。即使周期很短。

圖6 實(shí)時(shí)溫度控制調(diào)節(jié)Fig.6 Real-time temperature control regulation

3.3 PWM 輸出原理

PWM 模塊于LoopConR 庫中調(diào)用，該庫包含對(duì)系統(tǒng)的PWM 控制即LCRPWM。通過PWM 模塊，把計(jì)算得到的控制量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)占空比的數(shù)字輸出波形，占空比不同的PWM 波可以模擬模擬量的輸出[3]。輸出任務(wù)循環(huán)時(shí)間為10 ms，如有加熱或冷卻的指令，對(duì)應(yīng)數(shù)字量輸出為1，就為高電平，連續(xù)的控制信號(hào)可視作連續(xù)的方波。按照比例任務(wù)判定循環(huán)周期的高電平的占空比。PWM 輸出原理如圖7所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主流程如圖8所示。

圖7 PWM 輸出原理Fig.7 PWM output schematic

圖8 主流程Fig.8 Main flow chart

4 報(bào)警模塊程序及其界面設(shè)計(jì)

當(dāng)設(shè)定溫度開始加熱或冷卻時(shí)，在系統(tǒng)首次達(dá)到設(shè)定溫度后，如果實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的偏差超出了10%，則報(bào)警程序?qū)a(chǎn)生報(bào)警。報(bào)警設(shè)置流程如圖9所示。進(jìn)入保溫狀態(tài)后，起初設(shè)置的溫度為r（t），實(shí)際的溫度為c（t），報(bào)警值為b（t），有b（t）=r（t）（1±10%）。當(dāng)c（t）＜r（t）-b（t）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生低溫報(bào)警，進(jìn)而觸發(fā)系統(tǒng)對(duì)其控制對(duì)象進(jìn)行加熱作業(yè)；當(dāng)c（t）＞r（t）+b（t）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高溫報(bào)警，觸發(fā)系統(tǒng)對(duì)其控制對(duì)象進(jìn)行冷卻作業(yè)。警報(bào)發(fā)生后需要手動(dòng)確認(rèn)消除警報(bào)。

圖9 報(bào)警設(shè)置流程Fig.9 Alarm setting flow chart

報(bào)警界面如圖10所示。當(dāng)溫度過高或者過低超過設(shè)定閾值時(shí)，報(bào)警指示燈均會(huì)亮起，報(bào)警框中會(huì)出現(xiàn)報(bào)警信息，對(duì)應(yīng)著高溫或低溫報(bào)警。點(diǎn)擊“確認(rèn)”按鈕確認(rèn)報(bào)警信息后，報(bào)警信息消失，才可以返回正常工作。

圖10 報(bào)警界面Fig.10 Alarm interface

實(shí)時(shí)溫度曲線如圖11所示。

圖11 實(shí)時(shí)溫度曲線Fig.11 Real-time temperature curve

5 仿真試驗(yàn)及分析

在此進(jìn)行了仿真結(jié)果的測(cè)試，比較不同情況下溫度控制精度：①單溫區(qū)從室溫加熱到60 ℃，測(cè)試結(jié)果如圖12a 所示； ②三溫區(qū)同時(shí)從40 ℃加熱到60 ℃，測(cè)試結(jié)果如圖12b 所示。

由圖可見，單溫區(qū)加熱過程中的最大超調(diào)量為0.83 ℃，到達(dá)設(shè)定溫度后穩(wěn)定下來的誤差小于0.1 ℃，且穩(wěn)定性良好；在三溫區(qū)同時(shí)加熱的情況下，最大超調(diào)量為2.03 ℃，到達(dá)設(shè)定溫度后穩(wěn)定下來的誤差控制在0.2 ℃以內(nèi)，且依然具有較好的穩(wěn)定性。

圖12 仿真結(jié)果測(cè)試Fig.12 Simulation result test

6 結(jié)語

通過驗(yàn)證，無論單溫區(qū)還是多溫區(qū)加熱狀態(tài)下，都能夠?qū)囟确€(wěn)定后的誤差控制在0.2 ℃以內(nèi)，并且穩(wěn)定性始終良好。通過VNC 人機(jī)交互界面將實(shí)時(shí)溫度曲線及報(bào)警信號(hào)與PLC 溫度控制相結(jié)合，降低了機(jī)器故障導(dǎo)致的停產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)并提高了控制單元的溫度控制精度。所設(shè)計(jì)的煙草高溫?zé)崾湛s包裝機(jī)加熱系統(tǒng)通過溫度控制的精準(zhǔn)性以及恒溫性，通過減少熱量損失的方式有效節(jié)約了電能，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。