PID控制在感光乳剂制备中的应用

张振红

(中国航天集团乐凯华光印刷科技有限公司，河南 南阳 473000)

可编程控制器(PLC)是现代工业自动化支柱之一，近年来发展迅速，应用广泛，在对诸如温度及流量等过程变量实施控制时，一般只需在其基本硬件上另配D/A、A/D模块，再采用相应厂家提供的PID功能块，设置好参数，即可完成控制回路的构建。一般厂家只提供标准的PID控制功能块，其灵活性和适用性不高，对于复杂的被控对象和工艺要求苛刻的场合，这种常规填表式的PID方法往往难以获得满意的控制效果，而采用自适应控制、模糊控制以及神经元控制等方法，实现起来又有种种不便和限制。

1 工艺简介和控制要求①

银盐感光乳剂是一种具有高成像性能和高分辨率的材料，制备好的乳剂经过涂布干燥和分切包装就成为照相胶卷、电影胶片和电子线路制版软片。在乳剂生产中有称之为二成熟的重要物理成熟过程，温度和时间对感光微晶的生长和形状(乳剂性能)影响很大。每批次的乳剂生产中，不管是升温阶段，还是恒温阶段，工艺上都不允许有超过±1℃的偏差，升温过程控制在23min。加热水箱进的是自来水和本身温度变化不大的热水(±1.6℃)，控制上采用常规PID串级实现方法，基本上能满足生产工艺要求，温度控制简图如图1所示。但在2010年，公司引进柯尼卡乳剂制备技术后，温度偏差极限变为±0.5℃，同时因节能需要，加热水箱的热水改为蒸汽。根据其他相关设备的控制情况来看，如仍采用以前的串级控制，在二成熟釜的恒温时段问题不大，但在升温时段的末期，温度超调将达到6℃以上，生产根本无法继续进行。

图1 成熟釜温控简图

2 对FB41的改进和温度控制策略的实施

西门子S7-300、400PLC控制器中的PID控制功能块FB41(包括其他PID功能块),是基于应用定位方面的原因，用于过程变量的串级控制有明显不足之处，无法和DCS系统中相应的功能块相比，主要是控制上手动、自动间的无扰切换问题，这给前期调试和串级控制带来很大不便。幸运的是FB41中过程变量多、对编程人员开放，更重要的是FB41的源代码很容易找到，这为深入剖析和改造FB41，实现具有针对性的灵活控制，满足特定的工艺控制要求提供了条件。在乳剂制备中，一成熟过程温度控制用的是横河DCS CS3000R3系统，在现有条件下，灵活的温度控制策略难以实现。

2.1 对FB41的改进

FB41的具体改进措施有：

a. FB41自身虽带有手动到自动的切换功能，但不是完全无扰动，需另外在手动→自动时(瞬间)将过程值PV_IN送给设定值SV_INT，然后再加一斜坡函数，从而实现完善的手/自动无扰切换。

b. FB41无自动到手动的无扰切换功能，通过另外编程，将PID输出值LMN_PER送给手动值MAN,再加一斜坡函数即可。

c. 以上两点是针对PID单回路而言的，对于由FB41组成的双回路串级控制，要实现主环和副环的手动、自动无扰切换，当然要复杂些，但基本原理一样。

2.2 控制策略的实施

由于釜壁、乳剂物性以及乳剂量等原因，和水箱温度T1相比，乳剂温度T2出现滞后、非线性的现象，问题的关键集中在对T1的控制上。

首先，在现场确定蒸汽调节阀的最大开度(以水箱少量蒸汽溢出为准)。然后参照T2的设定值SV2 (以影像制版印刷软片乳剂为例，SV2为72℃)，设置水箱T1的设定值SV1为80℃，T1和T2间的差值ΔT为8℃，ΔT值是由相关经验和现场试验确定的，既可满足对于升温时间的要求，又避免了蒸汽的浪费，以及因ΔT数值不当，造成对控制的不良影响。

水箱温度T1被控制在80℃(此时整个系统是单副环运行)，当乳剂温度T2升至70℃时，T1设定值SV1再降为72℃。由于整个水箱和管道容量不大，T1变化迅速，在3min内基本稳定，然后将主环投入自动，主环和副环之间加无扰动处理，实现串级控制，系统很快进入恒温时段。

以上策略中，蒸汽阀的最大开度、SV1值的设置和变化、ΔT的大小是关键。实施这种灵活的控制策略后，升温时段的曲线非常理想，完全满足了工艺要求，这是通常简单地采用填写控制参数、实现PID串级控制所无法达到的。

3 结束语

生产工艺上的特殊要求，需要相应的控制策略来实现，针对银盐感光乳剂生产上存在的问题，在对现场设备、生产工艺十分熟悉的基础上，打破常规思维，采用灵活的控制策略，利用西门子S7-300PLC中PID功能块(FB41)，实现了对乳剂制备过程中温度的成功控制。