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    2022 華南展招展書
    控制系統

    樸實無華,卻無所不在 | 溫控-品質、效率與成本的演繹

      2022年04月12日  

      在一個充滿前沿概念的時代,溫控仿佛是一個古老的話題,聽上也是如此樸實無華—作為讀者的您也許會覺得談論這個話題是否過于普通?然而,就實而論,這卻并非易事。能用與好用是兩種不同的產品設計態度,在今天,高質量發展的要義就是追求為用戶提供“好用”的系統,而不停留于過去“能用就行”的粗放時代。

      溫控,普遍應用于機器的控制,在注塑、擠出、吹瓶、吹膜這類加熱成型的制造領域而言至關重要,同時、像單晶拉制、擴散、PECVD等光伏生產設備中,同樣大量的應用。隨著機器速度越來越高的要求,且材料的多樣性、產品的復雜性都使得溫度控制也變得不那么簡單,同時,溫控水平也關乎能源消耗-與制造企業的成本緊密相關。

    優秀的溫控關乎品質與效率

      ->高品質的產品:溫控精度對于品質會有較大的影響,注塑成型里的翹曲、噴射、收縮痕等都是由于溫控不佳造成的缺陷,擠出中的焦燒、吹瓶中的硬頸、底部花狀瓣發白等都由于這種溫控的原因造成,對于消費者來說,當然看不到這些-因為必須只能看到合格產品。但是,生產現場的人最清楚,這會造成大量的不良品帶來的成本上升。

      ->生產效率問題:盡管溫度控制屬于大延遲系統,但是,對于注塑、擠出這類大規模生產應用而言,如果生產節拍過低,產能效率就無法發揮,而溫度又是該類型設備的關鍵工藝參數,塑料行業的溫度控制還需要具有高速響應能力-以應對快速的生產節拍需求。

      ->機器的靈活性:由于塑料加工的材料變化多樣性,產品厚度、規格的變化,使得其參數應該較強的自適應,并且可以實現對不同的加熱方式的自整定,以獲得生產的靈活性。

      ->成本,節能是關鍵,對于塑料制品加工來說,都是屬于加熱成型,如何降低能耗,這里就有非常多的技能。

    傳統溫控存在的問題

      很多傳統的溫度控制方案基本上都是在“能用”這個水平上,而對于“好用”的溫度控制是貝加萊一直追求的。在熱成型加工中,經常需要根據工藝需求來設定變化的溫度和軌跡,而能用的溫控,其控制過程往往存在溫度的大過沖,這會導致超過目標溫度過多,系統超溫。而另一方面,低阻尼會導致系統震蕩劇烈,一直在目標溫度上下波動,會導致加熱過程的調節時間變長并且不穩定,這兩種常見的情況都是注塑、擠出等熱成型加工所需要避免的。

    mappTemperature控制

      mappTemperature是屬于貝加萊mappControl中閉環控制模塊之一,基于貝加萊在塑料、印刷、包裝、光伏工業多年的積累,積淀豐富應用經驗而開發的專業軟件組件,它有較強的適應力。

    圖1-mapp的溫度控制模塊結構

      在mappTemperature中設計了幾個環節來使得其變得“好用”,能夠帶來效率、穩定性、品質、能耗、易用性方面的提升。它通過構建物理對象模型,并經由參數整定算法,為PID控制器、前饋、濾波、溫度設定軌跡來提供最優參數的獲取,并控制信號輸出來確保對象的響應以達到最終設定的目標。

      1.設定溫度軌跡生成的策略

      對于塑料工業的溫控來說,為了獲得更好的能源分配,必須在不同的階段(如加熱、保溫、冷卻)給予不同的溫度來降低不必要的能耗,這種會讓設定值發生變化,傳統PID容易產生過沖,貝加萊通過溫度的軌跡曲線生成,系統會沿著如圖2所示的斜坡來加熱,以獲得穩定的輸出。

    圖2-同步加熱斜坡

      這種實時斜坡跟隨能力,使得系統獲得無超調的卓越性能,保障所需的工藝控制精度,確保品質。

      2.前饋控制-關乎效率

      由于PID控制會有超調,引入了溫度限幅但又會使得系統輸出控制能力得到壓縮,因此,需要增加前饋環節來提升響應能力。對于貝加萊溫度控制而言,引入前饋控制,并在設定溫度發生變化時,前饋輸出可迅速疊加PID輸出,提升前期響應速度。但是對于前饋控制而言,有效的模型識別可以獲得更精準的前饋所需的參數,對于前饋環節,貝加萊可以通過mappTemperature的自整定來獲得。

      3.卡爾曼濾波

      對于溫度的反饋而言,通常包含了干擾,這些干擾會造成PID頻繁調節,而通過卡爾曼濾波可以有效降低其調節的頻次,即,不要對所有的干擾太過敏感。

    圖3-貝加萊高精度高速溫控

      mappTemperature的整定也包含對Kalman濾波參數的識別獲取,以更有效的評估反饋信號的有效性,平衡穩定性與快速響應的矛盾。

      4.易用性問題

      工程師為機器配置不同的溫度控制模塊,無論是單通道、 多通道、不同的工藝類型下,其應該有便捷的開發過程,盡量減少編程,而采用配置的方式來實現,在Automation Studio中的溫度控制即可實現這樣的快速開發,并與HMI有良好的交互接口,使得快速以直觀方式呈現。

      mappTemperature與其它mapp模塊一樣可以根據應用配置、連接到不同的控制系統中,與配方管理模塊(mappRecipe)、報警(mappAlarm)、mappVIEW的曲線顯示形成邊界的軟件連接。

    圖4-mapp溫控畫面設計

      并且,mappTemperature有非常高的靈活度,讓工程師來配置相關的參數,包括加熱冷卻、熱電偶類型、溫區組別、保護溫區、控制器參數資識別、加熱電流可測量、顯示界面的可配置。

    節能有技術

      對于包含加熱與冷卻系統的溫控而言,盡管看上去溫控的目標是達到的,但是,由于加熱與冷卻對沖帶來的“內耗”無法被有效控制,而導致了其間的能源消耗無法被有效控制,而貝加萊的溫控對此予以策略性實現,即,通過對加熱和冷卻的變化率影響獲得占空比的差異,進而有效的調節,從而消除這種內耗帶來的能源消耗。

      ->分段加熱-軟啟動能力

      mappTemperature中有一種預編程的功能,稱為軟啟動,它可以一鍵式實現機器組件的平穩加熱,從而最大程度地減少加熱元件的疲勞度 。均勻加熱可減少機械應力,并且有利于機器中的液體殘留物進行受控蒸發。

      由于軟啟動功能避免了以最大功率操作和加熱元件,因此獲得了節能效果。

      ->負載同步加熱

      塑料工業被控對象通常包含多個溫度的情況,各個溫區負載大小不同,加熱時間不同,負載同步加熱可以讓各個負載同時達到設定溫度,避免有的溫區先到達了設定溫度,但相鄰溫區還在加熱中,會對其溫度穩定造成影響。

      ->無憂切換

      有加熱和冷卻的系統,加熱和冷卻同時工作存在“內耗”,在一些系統中,雖然看上去你達到了溫控目標,但是,你可能并沒想到這個目標是較高內耗達成的,貝加萊的溫度控制同樣有巧妙的策略來消除這種內耗,細節往往在看不到的地方。

    工程師的智慧必不可少

      很多時候,人們似乎更喜歡所謂的“高科技”、認為越是前沿的東西就越先進,但是,制造業更需要的是靜下心來不斷打磨產品的工匠精神。他們總是在現場,與機器打交道、與各種材料、各種千奇百怪的客戶需求打交道,不斷的測試,進而形成了他們對于機器的理解,對于工藝的理解,成為一個專家。

      專家,在貝加萊不但能解決問題,還能把這種經驗通過建模的方式,形成應對各種變化的模型,進而通過軟件的模塊化封裝成為可被廣泛客戶應用的模塊—所謂工業軟件,正來自于此,來自于這些在一線的工程師,他們的辛勤、他們的智慧、他們為產業的付出。

      貝加萊的模塊何止于一個溫度控制,這一切來自于廣泛的行業一線經驗積淀、專業的軟件工程封裝、客戶中心的服務精神。

      溫控-從來都不簡單!不簡單的是工程師的智慧!

    (貝加萊供稿)

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