[摘" " 要]針對(duì)現(xiàn)代涂布機(jī)干燥箱控制系統(tǒng)缺少理論依據(jù)、自動(dòng)化程度低的問題，設(shè)計(jì)基于工藝最優(yōu)參數(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)測(cè)試和實(shí)際使用表明，通過涂布干燥設(shè)備參數(shù)控制可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能減排，通過最優(yōu)工藝參數(shù)可以提高干燥系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

[關(guān)鍵詞]涂布機(jī);干燥箱;自動(dòng)控制;電控設(shè)計(jì)

[中圖分類號(hào)]TH69;TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

涂布機(jī)廣泛應(yīng)用于相機(jī)底片、印刷包裝、廣告海報(bào)等方面。但是，我國(guó)是在高污染、高能耗、高消耗狀態(tài)使用涂布設(shè)備。干燥箱是涂布設(shè)備主要單元，也是涂布設(shè)備主要能源消耗部分，設(shè)計(jì)性能對(duì)涂布設(shè)備能源消耗與廢氣排放量具有直接影響。我國(guó)涂布機(jī)干燥箱都是通過人工控制，缺少科學(xué)數(shù)據(jù)與理論，無法優(yōu)化干燥過程[1]。為此，設(shè)計(jì)了涂布機(jī)干燥箱自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過優(yōu)化設(shè)備參數(shù)降低干燥箱的消耗率。

1 干燥箱的設(shè)計(jì)

涂布機(jī)干燥箱屬于常見儀器設(shè)備，主要作用是干燥樣品，還能夠給相應(yīng)實(shí)驗(yàn)操作提供理想化溫度環(huán)境。干燥箱主要包括鍍鋅鋼板和不銹鋼內(nèi)膽兩種類型，設(shè)置參數(shù)與指數(shù)，實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)與流風(fēng)的循環(huán)操作。在印刷機(jī)涂料設(shè)備中，干燥箱屬于主要單元，消耗大量能源，在使用過程中節(jié)能空間較大。通過實(shí)際操作分析，涂布機(jī)干燥箱會(huì)對(duì)涂布機(jī)生產(chǎn)加工造成影響，干燥箱溫度變化較大，主要特點(diǎn)為非線性、耦合性，影響著涂布紙水分穩(wěn)定性和安全性。傳統(tǒng)系統(tǒng)無法有效設(shè)置參數(shù)，在實(shí)際工作中無法對(duì)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行描述，無法設(shè)置控制過程中的信號(hào)量和評(píng)價(jià)指標(biāo)，也無法實(shí)現(xiàn)對(duì)象模型的創(chuàng)建[2]。由于外界環(huán)境變化會(huì)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)造成影響，從而使控制系統(tǒng)的參數(shù)無法滿足實(shí)際需求，導(dǎo)致產(chǎn)品的加工質(zhì)量無法滿足需求。為此，涂布機(jī)干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)配套工藝流程，利用干燥、升華、熱輻射等方式實(shí)現(xiàn)。在本文實(shí)驗(yàn)過程中利用西門子S7-300PLC，通過干燥箱對(duì)控制器的溫度進(jìn)行設(shè)置，通過溫度流淌的作用創(chuàng)建閉環(huán)控制器。另外，使用PID控制算法，在具體操作過程中，根據(jù)干燥箱實(shí)際使用需求，對(duì)FB58比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)理想化控制效果。涂布機(jī)系統(tǒng)送膠量、送膠速度、涂布頭速度等技術(shù)參數(shù)和紙機(jī)不同，該控制系統(tǒng)的主要指標(biāo)：電氣系統(tǒng)滿足國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通信響應(yīng)時(shí)間為30ms，過載持續(xù)時(shí)間為1min，過載能力為200%，動(dòng)態(tài)精度為0.01%，控制精度為0.01%[3]。

干燥系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中還包括熱量提供、烘箱供風(fēng)量、空氣調(diào)節(jié)方案和噴嘴等。設(shè)計(jì)噴嘴的參數(shù)包括噴嘴間距、基材間距、噴嘴等。實(shí)現(xiàn)合適參數(shù)的設(shè)計(jì)，使干燥系統(tǒng)工作效果得到提高，利用噴孔將空氣噴射到涂層中，和空氣速度與溫度場(chǎng)結(jié)合。涂布機(jī)干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)電控設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

涂布機(jī)干燥箱可控制量包括烘箱回風(fēng)比、進(jìn)風(fēng)量和溫度，不同工藝需要不同的烘箱控制量。軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理。在處理數(shù)據(jù)時(shí)，利用仿真軟件對(duì)干燥工藝流程進(jìn)行仿真，對(duì)參數(shù)進(jìn)行提取，通過計(jì)算優(yōu)化參數(shù)，得出不同狀態(tài)下的工作控制量。在實(shí)時(shí)控制過程中，結(jié)合回風(fēng)電機(jī)、變頻器和溫控表等硬件，實(shí)時(shí)控制各區(qū)域的烘箱進(jìn)風(fēng)量、溫度和回風(fēng)比。另外，通過流量傳感器、溫度傳感器和負(fù)壓傳感器傳輸現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)運(yùn)行過程中的安全性和高效性[4]。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)過程主要包括：將光電編碼器作為測(cè)速反饋單元;全數(shù)字矢量型變頻器作為驅(qū)動(dòng)控制單元;TP觸摸屏作為操作終端人機(jī)界面;S7-300PLC作為控制中心;上位機(jī)使用DELL工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控。

2.2.1 設(shè)備選型

（1）變頻器。使用ABB全數(shù)字工程型變頻器ACS800系列，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，參數(shù)范圍較廣，能夠?qū)崿F(xiàn)磁場(chǎng)矢量控制。還包括兩個(gè)繼電器與模擬量的輸出口;在200%下過載1min，自動(dòng)測(cè)試負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面優(yōu)化。

（2）PLC。使用西門子S7-300型PLC帶擴(kuò)展模塊;設(shè)置兩個(gè)Profibus-DP接口;使用315系列中央處理器;使用多種接口MPI和特殊組態(tài)模塊。

（3）編碼器。使用歐姆龍E6B2-500P光電編碼器。

2.2.2 設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)

（1）顯示控制機(jī)構(gòu)觸摸屏。設(shè)計(jì)觸摸屏界面，在界面中分布系統(tǒng)總界面和傳感點(diǎn)，不同界面的功能與數(shù)據(jù)各不相同，包括系統(tǒng)總控啟停、急停、爬行、速度和系統(tǒng)查詢等，還能夠顯示系統(tǒng)的總負(fù)載、總車速、分部速度和分部電流等數(shù)據(jù)狀態(tài)圖[5]。

（2）PLC任務(wù)。①采集現(xiàn)場(chǎng)控制信號(hào)。實(shí)現(xiàn)PLC與觸摸屏的高速通信，利用觸摸屏輸送現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)。②計(jì)算速度鏈。以實(shí)際工藝需求對(duì)速度鏈進(jìn)行處理，對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。③對(duì)執(zhí)行速度進(jìn)行控制。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置PLC，利用現(xiàn)場(chǎng)總線的方式控制變頻器的運(yùn)行速度。④自動(dòng)分配負(fù)荷。通過PLC對(duì)負(fù)荷進(jìn)行分配，收集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，以現(xiàn)場(chǎng)操作控制執(zhí)行連鎖、操作控制等。⑤卷紙部光電段紙檢測(cè)、自動(dòng)換卷控制和中心卷取等。⑥實(shí)現(xiàn)PLC和觸摸屏的高速通信，使工作過程中各個(gè)分布傳動(dòng)點(diǎn)在觸摸屏中顯示，并且接受觸摸屏操作指令，對(duì)各個(gè)傳動(dòng)執(zhí)行動(dòng)作進(jìn)行控制。⑦冷缸和卷輥的速度控制、張力檢測(cè)。⑧涂料轉(zhuǎn)移輥、涂料輥、送輥的負(fù)荷分配、速差控制和連鎖。⑨工業(yè)控制和傳動(dòng)控制的連鎖通信，實(shí)現(xiàn)涂布機(jī)和烘干部的連鎖[6]。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理和傳輸

在設(shè)計(jì)涂布機(jī)干燥箱的過程中，需結(jié)合基本理論知識(shí)。但是涂布設(shè)備在對(duì)新產(chǎn)品生產(chǎn)之前要通過長(zhǎng)時(shí)間的工藝實(shí)驗(yàn)，無法對(duì)干燥箱設(shè)備參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算。本文所設(shè)計(jì)干燥箱自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠通過干燥箱對(duì)工藝流程進(jìn)行干燥箱的仿真，以數(shù)據(jù)計(jì)算和優(yōu)化作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)。通過本文設(shè)計(jì)軟件輸入涂布量、涂層原料、涂布機(jī)料和加工速度，對(duì)合適的數(shù)量、噴嘴間距等進(jìn)行選擇，生產(chǎn)采集溫度、蒸發(fā)量、蒸發(fā)率等關(guān)鍵參數(shù)。

干燥系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)軟件的仿真分析見圖3，將干燥系統(tǒng)劃分成4個(gè)區(qū)域。圖3中的線條是不同干燥箱在工作過程中的基材狀態(tài)，不同干燥箱的控制參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同的干燥運(yùn)行方案，滿足過程與產(chǎn)品的需求。通過優(yōu)化計(jì)算，對(duì)廢棄排放量進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)廢棄排放量、安裝能耗與控制量的確定。一般用戶輸入工作參數(shù)包括溶劑揮發(fā)量、類別、回風(fēng)比、LEL值和風(fēng)量。以此可以看出來，干燥箱的運(yùn)行輸入變量比較多，無法有效處理數(shù)據(jù)，并且還要對(duì)具體的工作參數(shù)進(jìn)行處理，使輸入?yún)?shù)的變量降低，計(jì)算干燥箱的運(yùn)行參數(shù)，歸類工作狀態(tài)，計(jì)算干燥效果和能耗，確定干燥箱的最優(yōu)運(yùn)行方案。

在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸過程中，按照總體方案設(shè)計(jì)需求，提供兩種解決方案。

（1）方案1。對(duì)印刷涂布控制系統(tǒng)進(jìn)行集成，在PLC中實(shí)現(xiàn)具體機(jī)型工藝參數(shù)的導(dǎo)入，用戶將數(shù)據(jù)輸入觸摸屏，在PLC中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，對(duì)工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，利用合適參數(shù)控制溫度、風(fēng)量和回風(fēng)比。

此方案要求實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的開發(fā)，并且導(dǎo)入整理之后的數(shù)據(jù)。因?yàn)榧上到y(tǒng)，所以具有良好保密性。將仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入PLC內(nèi)存中，利用PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)用與查詢，優(yōu)化工作流程，使調(diào)試與開發(fā)的難度得到降低。

（2）方案2。軟件比較獨(dú)立，利用Windows系統(tǒng)開發(fā)軟件，創(chuàng)建工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。此方案開發(fā)方式較多，根據(jù)配置不同，選擇的開發(fā)方式也不同。例如，通過Excel實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言腳本的創(chuàng)建，還能夠利用VB語(yǔ)言創(chuàng)建OPC Client，利用OPC接口讀取PLC數(shù)據(jù)。

此方案開發(fā)困難，要求設(shè)計(jì)針對(duì)性的軟硬件，提高了控制系統(tǒng)的成本。但是此方案比較獨(dú)立，能夠降低控制系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，基于Windows系統(tǒng)的軟件方便今后更新升級(jí)[7]。

2.2.4 控制工藝實(shí)現(xiàn)

將溫度控制模塊PID控制器作為基礎(chǔ)，根據(jù)自適應(yīng)PID控制算法，以干燥箱使用的實(shí)際情況調(diào)節(jié)溫度、濕度和參數(shù)。常規(guī)微分、PID比例設(shè)定、積分控制原理簡(jiǎn)單，能夠在各種類型數(shù)字控制器中使用，如單片機(jī)編程管理、PLC等。在使用過程中具有良好的靜態(tài)性和動(dòng)態(tài)性，廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)加工領(lǐng)域中。但是通過實(shí)際分析，常規(guī)意義上的PID控制模式存在一些問題，如適應(yīng)能力差、對(duì)技術(shù)人員要求較高，可通過傳統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)過程中一系列的參數(shù)創(chuàng)建數(shù)據(jù)分析模型，從而實(shí)現(xiàn)程序操作控制與預(yù)期控制的目標(biāo)。

2.2.5 模糊控制器的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)模糊控制器的過程中，要求對(duì)控制對(duì)象模型情況進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng)PID控制器的過程如下。

（1）模糊化處理。全面分析設(shè)計(jì)數(shù)值和反饋數(shù)值差值x1與差值變化率x2，分析后得到模糊輸入量，創(chuàng)建三角隸屬關(guān)系函數(shù)。

（2）得到模糊輸出量。根據(jù)生產(chǎn)操作經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)建控制值表格，得到最終模糊輸出量U。

（3）反模糊化處理。處理模糊輸出量U，得到輸出量數(shù)值，控制蒸汽閥門的開關(guān)。

通過西門子PLC可編程軟件實(shí)現(xiàn)PC仿真系統(tǒng)的創(chuàng)建，在此仿真系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)軟件模塊與界面操作平臺(tái)的仿真模擬分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際使用一樣。

2.2.6 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

利用西門子公司MP277觸摸屏設(shè)計(jì)電控裝置的觸摸屏，使用WinCC flexible組態(tài)軟件。觸摸屏界面程序主要包括用戶輸入查詢、導(dǎo)入與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示等，觸摸屏程序結(jié)構(gòu)包括以下部分。

（1）用戶參數(shù)數(shù)據(jù)錄入界面，能夠提供用戶輸入?yún)?shù)界面，在PLC中傳輸參數(shù)。

（2） 過程實(shí)時(shí)監(jiān)控參數(shù)界面，系統(tǒng)運(yùn)行LEL值、負(fù)壓值、風(fēng)速和溫度等實(shí)際值，通過現(xiàn)場(chǎng)傳感器收集，利用PLC在觸摸屏中發(fā)送，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)工作人員。如果出現(xiàn)危險(xiǎn)或者故障報(bào)警，在PLC中實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，在觸摸屏中發(fā)送，通知人員及時(shí)處理危險(xiǎn)和故障[8]。

3 結(jié)束語(yǔ)

此設(shè)計(jì)已經(jīng)有樣機(jī)完成，和涂布機(jī)終端聯(lián)合調(diào)試測(cè)試表明，此產(chǎn)品提高了終端用戶的生產(chǎn)效率，能夠節(jié)約能源。另外，此設(shè)計(jì)不依賴具體設(shè)備品牌，系統(tǒng)的解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)涂布干燥系統(tǒng)的優(yōu)化共性，產(chǎn)業(yè)化推廣比較方便。利用此涂布機(jī)干燥箱自動(dòng)控制系統(tǒng)的解決方案使系統(tǒng)運(yùn)行過程中的節(jié)能減排得到提高，保證運(yùn)行安全性。系統(tǒng)能夠節(jié)約能耗，降低廢氣排放，從而使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益得到提高。

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作者簡(jiǎn)介

田桂祥（1983—），男，江蘇南通人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)楦叻肿庸怆娪∷ⅰ?/p>