基于PID算法的热熔胶温度控制

王冠华，陈忠祥

（红云红河烟草（集团）有限责任公司会泽卷烟厂，云南曲靖 654200）

0 引言

KDF2 成型机应用于烟草行业的滤棒生产。早期的设备主要采用继电器系统控制，停机频次较高，其中热熔胶的停机问题尤为明显。热熔胶温度波动过大，引起胶水夹带气泡，导致滤棒粘接不牢，造成跑条，严重影响设备的有效作业率。本文在研究现有成型机热熔胶系统的基础上，对热熔胶控制系统进行升级，使用Siemens S7-300 PLC 精确控制热熔胶的温度。

1 热熔胶系统简介

1.1 系统原理及结构介绍

KDF2 成型机热熔胶系统的作用是粘接滤棒成型纸的接缝，其主要介质是热熔胶，常温下呈白色固体状，经加热后变成液体，经过由电磁离合器和齿轮泵组成的输送系统后，将其涂覆在成型纸的边缘，然后通过烟枪将成型纸和滤棒卷制成型，由冷却系统冷却，快速固化热熔胶，从而形成稳定的搭边。

热熔胶系统的结构包括预热胶箱、熔化室、输送泵、软管、喷嘴、纸张加热和辅助加热。当热熔胶在熔胶罐中融化后，通过齿轮泵将其送至胶管，最后由胶嘴散布在纸带上。

1.2 控制原理

温度控制是开关式控制，由温度控制器实现，如图1 所示。温控系统包括温度控制器N、温度传感器Pt100、温度调节旋钮R1、加热器R 和固态继电器V 等。加热部件内部安装加热器和温度传感器，加热器的作用是加热工作部件，温度传感器的作用是检测工作部件的温度。在整个加热系统中，温度控制器是控制核心，它对比温度调节旋钮的设定值和温度传感器的实际检测值：如果实际温度值低于设定值，温控器发出信号，接通固态继电器，则加热器加热；如果实际温度高于设定值，则加热控制信号断开。这种控制方式精度低，温度波动范围大，胶水中存有气泡，导致热熔胶粘接不良，废品率较高，造成原辅材料大量浪费。

图1 温度控制原理

2 热熔胶控制系统设计

PID 代表比例（P）、积分（I）和微分（D），将三者线性组合构成控制量，由这一控制量对被控对象进行控制。本文使用Siemens S7-300 PLC 编写温度控制功能块。根据温度偏差，按照PID算法进行处理后，输出固定周期的脉冲宽度调制信号，控制固态继电器的接通时间，从而调节热熔胶系统的加热时间，准确控制温度。

2.1 方案设计

在实际生产过程中设备时停时开，手动添加热溶胶原料，电网电压不稳定。这些因素导致受控对象的实际温度与目标温度之间存在较大偏差。因此，整个过程需要调整和控制。

系统可分为两个工作间隔，第一个工作间隔是启动阶段和手动加胶初期阶段。此时，当系统输出与设定值明显差异时，控制的目的是尽快减少输出与设定值之间的差距；第二个工作间隔为正常工作阶段，一旦系统输出接近设定值的允许误差范围，控制目的是生产期间的输出尽可能保持在该范围内。以上两个工作间隔的划分根据偏差E 确定，E 的阈值需要根据操作员的经验和现场调试确定。

为更快达到温度设定值，设计方案为：当||e||≥E，控制量取Um或0 实行开关控制；当||e||＜E，采用PID算法提高控制精度，使其响应超调小，甚至无超调，结构如图2 所示。

图2 温度控制

2.2 功能实现

2.2.1 PID 模块和功能块FB50

S7 编程软件中，PID包含FB41（CONT_C）、FB42（CONT_S）和FB43（PULSEGEN）等3 个功能块。其中，FB41 用于连续控制，FB42 用于步进控制，FB43 用于脉冲宽度调制，通常与FB41结合使用。

结合PID 模块，编写温度控制功能块FB50，使用梯形图或语句表语言在FB50 功能块中进行编程，通过调用FB41 和FB43 来实现温度控制PID算法。根据输入变量（如设定点、反馈量）和设定参数（如积分时间、微分时间、比例常数），输出脉冲宽度调制信号，通过PLC 的I/O 口控制固态继电器的输入端线圈，固态继电器输出端连接电烙铁，由线圈的通断时间控制电烙铁通断时间，实现温度控制。

2.2.2 系统调试

PID算法控制规律表达式为

温度调节主要通过调节PID算法的比例常数Kp、积分时间常数TI和微分时间常数TD等3 个参数实现。本文PID 调节器的参数选择试凑方法。只调整比例部分，即将Kp由小变大，并观察相应的系统响应，直到获得快速响应和超调小的响应曲线；如果系统响应满足要求，则Kp由此确定，若响应曲线不符合要求，如系统存在静态误差，则增加积分环节。先将TI设置为一个较大的值，并适当降低已经设置的Kp，然后降低TI。在这个过程中，Kp和TI可根据响应曲线反复修改。如果通过比例积分消除了静态误差，但经反复调整，动态过程仍然不能令人满意，则增加微分环节，首先将TD设置为零，然后逐步增大。

整定中，参数的选定是多变的，在Kp、TI和TD等3 部分共同作用下，其中某部分的增大可由其他部分的减少来抵消，故需反复调试，达到最优控制效果。

3 结束语

KDF2 成型机的生产效率在很大程度上取决于热熔胶系统，其温度控制不理想是导致机组故障停机的主要因素之一，温度控制方法多种多样。本文提出的PID 温度控制功能块是基于PID算法的温度控制方法，采用西门子S7-300 PLC 提供的PID功能块，调用简单、参数调整方便，大大提高了温度控制的准确性和可靠性。