1 引言
隨著國際健康組織（WHO）越來越多地對卷煙制品采取各種質(zhì)量限定政策，卷煙生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)性能不斷提高。濾棒成型機組作為卷煙生產(chǎn)中不可或缺的重要機組，其性能直接影響到了卷煙制品的最終質(zhì)量。
煙腔加熱系統(tǒng)是保證膠水粘貼質(zhì)量的因素[1]。該工藝的工作狀態(tài)直接影響到了濾棒的質(zhì)量。然而在多數(shù)的濾棒成型機組中，控制算法上采用的是“乒-乓”控制算法[2]，并且溫控脫離于核心控制系統(tǒng)。

2 濾棒成型機組的現(xiàn)有控制方式與控制算法
ZL22D型濾棒成型機組的主控系統(tǒng)式由Siemens公司的PLC和Lenze公司的伺服系統(tǒng)組成。煙腔加熱系統(tǒng)是游離于核心控制系統(tǒng)之外。整個加熱系統(tǒng)是通過安裝面板上的加熱按鈕來實現(xiàn)該系統(tǒng)的關(guān)斷與否，并不依據(jù)中央控制器的指令。它的設(shè)定溫度是由該部件本身的感應(yīng)片的受熱膨脹系數(shù)所決定，不能夠輕易調(diào)節(jié)。濾棒成型機組煙腔加熱系統(tǒng)電路如圖1所示。

圖1 濾棒成型機組煙腔加熱系統(tǒng)電路示意圖

圖1中，R8為300W的加熱單元，當(dāng)機組運行時操作員按下面板上的按鈕S3.3，煙腔加熱系統(tǒng)處于允許加熱狀態(tài)。R8是否進行加熱，實際上取決于S8.1的狀態(tài)。S8.1是一組帶接觸點的熱感應(yīng)片，就安裝在煙腔上。當(dāng)感應(yīng)片的溫度低于某一溫度時，接觸片是閉合的，加熱回路被接通，整個系統(tǒng)開始加熱；而當(dāng)煙腔溫度上升到一定溫度后，感應(yīng)片受熱膨脹，使得接觸片分開，于是加熱回路被斷開，加熱停止。由于感應(yīng)片的受熱膨脹與冷卻收縮，就使得煙腔加熱系統(tǒng)的溫度可以保持在某一溫度范圍內(nèi)。
但是，這樣的設(shè)計實際上使得煙腔加熱系統(tǒng)與核心控制系統(tǒng)并不同步，而且部件的機械損壞可能會造成加熱系統(tǒng)工作異常等問題或隱患。特別是考慮到人為因素的情況下，存在的問題或隱患就可能引起部件損壞甚至人身危險。
簡單的“乒-乓”控制算法主要表現(xiàn)在整個系統(tǒng)的超調(diào)量[3]很大，達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間較短，穩(wěn)定后的溫度波動呈振蕩狀。這些情況雖不全部是負(fù)面的，但是其綜合效應(yīng)對于保證煙腔溫度穩(wěn)定是不利的，對于濾棒的產(chǎn)品質(zhì)量也是有一定的不利。

就該系統(tǒng)而言：例如，在室溫26℃的條件下、煙腔加熱的設(shè)定溫度為90℃時，整個溫度加熱系統(tǒng)的超調(diào)量達到了25～30℃，超調(diào)比率為27.8～33.3%，穩(wěn)定時間[5]約為200～260秒，穩(wěn)態(tài)時的溫度波動約為±10～15℃，系統(tǒng)響應(yīng)時間[6]約為60～80秒。具體見表1。

表1 原煙腔加熱系統(tǒng)的參考數(shù)據(jù)

其系統(tǒng)響應(yīng)曲線示意如圖2所示。從上述數(shù)據(jù)和曲線圖說明該加熱系統(tǒng)的控制算法不夠理想，穩(wěn)態(tài)溫度波動大。溫度波動大就容易影響濾棒紙帶的粘合質(zhì)量，加大“脫膠”的概率。

圖2 原系統(tǒng)響應(yīng)曲線示意圖

3 新的控制方式和控制算法的篩選
加熱系統(tǒng)，控制算法有很多種。而在本設(shè)計中，主要考察3種比較常用的控制算法方式，挑選出相對合適的一種。
3.1 回環(huán)控制
回環(huán)控制又名滯環(huán)控制或者回路控制，其控制理論曲線如圖3所示。

圖3 回環(huán)控制理論曲線

這是一種簡單的控制算法，但控制能力不好，特別是該控制算法很容易發(fā)生輸出結(jié)果的振蕩狀態(tài)。這種回環(huán)控制算法可以看作是對“1/0”控制算法的一種優(yōu)化，是一種非常容易實現(xiàn)的控制方案，同時也是比較常用的一種方案選擇。
3.2 PID控制
PID控制算法即比例積分微分控制。這是應(yīng)用最廣泛和適用性最好的控制算法，具有快速性好、穩(wěn)定性強、準(zhǔn)確性高的特點。
其傳遞函數(shù)為：Kp+KdS+Ki/S
其中Kp、Kd、Ki分別為比例、微分及積分系數(shù)。由于三個系數(shù)之間的關(guān)系是相互影響、相互制約，所以這種控制算法的最大問題在于其參數(shù)設(shè)置過程比較漫長，必須具有一定的自控理論知識和經(jīng)驗才能夠快速進行參數(shù)的調(diào)節(jié)。

3.3 PWM控制
PWM控制即脈寬調(diào)制控制(Pulse-Width-Modulation)。這是一種根據(jù)實際溫度與設(shè)定溫度的差值大小,以不同的占空比實施加熱的控制算法。公式表述如下：

其中，T為控制周期，T1、T2、T3為有效周期（小于或等于T）。n表示設(shè)定值減去實際值的差，N1、N2、N3、N4表述差值的大小，f（n）為輸入響應(yīng)公式，F(xiàn)（n）為輸出響應(yīng)公式。該控制算法可以看作對PID控制算法的一種簡化，在犧牲了一定控制能力的基礎(chǔ)上，簡化參數(shù)設(shè)置。
為了比較這3種控制算法的控制效果，設(shè)計者利用MATLAB軟件進行3種控制算法的計算機仿真，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 MATLAB仿真曲線

圖4中根據(jù)波動幅度自大至小分別是回環(huán)控制的響應(yīng)曲線，PWM控制曲線，PID控制曲線。由4中，可以很容易地發(fā)現(xiàn)：PID控制的仿真效果較好，PWM控制的仿真效果次之，而回環(huán)控制的仿真效果最差。
不過，在要求最佳“性能—效果”的綜合考慮下，設(shè)計者認(rèn)為回環(huán)控制效果最差，PID控制最難操作。而PWM控制相對具有兩者之長，回避了兩者之短?；谶@樣的判斷，最后決定采用PWM控制。

4 控制方式和控制算法的設(shè)計
確定了控制方式和控制算法之后，下一步就是實現(xiàn)設(shè)計。在設(shè)計中依次采用了如下的步驟，完成對控制方式的更新和新控制算法的設(shè)計。
4.1 增加溫度檢測裝置
在煙腔加熱部件上增加一個Pt100的熱電偶，并將該元件的信號送入PLC的模擬輸入模塊，以實現(xiàn)加熱溫度對PLC的反饋。同時，加熱部件R8由PLC決定工作狀態(tài)，增加輸出繼電器K取代S8.1感應(yīng)片，如圖5所示。

圖5 新的煙腔加熱系統(tǒng)電路示意圖

4.2 修正HMI顯示
增加HMI的畫面，以達到參數(shù)設(shè)定、溫度數(shù)據(jù)顯示等目的。圖6就是最后完成的HMI顯示畫面。

圖6 煙腔加熱HMI顯示畫圖

4.3 增加PLC程序
在Siemens S7-300的程序中增加煙腔加熱的程序模塊。圖7就是程序運行（部分）時，煙腔加熱程序模塊的顯示。

圖7 煙腔加熱PLC運行（部分）畫圖

4.4 控制參數(shù)的確定
在參數(shù)調(diào)整中，“N1/N2/N3/N4，T1/T2/T3=10℃/8℃/5℃/2℃、40/80/60”[7]的常用參數(shù)組無法徹底解決溫度波動大的問題。這是由于功率為300W的加熱器所加熱物體相對較小，故而溫度控制的時滯性較大，這就需要調(diào)節(jié)各個有效周期。在通過多次軟件模擬和實際測試后，采用“T1/T2/T3=35/15/8”的參數(shù)組，實現(xiàn)設(shè)計的要求。

5 改良系統(tǒng)的比較
在控制方式方面，游離于核心控制系統(tǒng)的原有控制方式和服從于核心控制系統(tǒng)的新控制方式相比，新的控制方式更加安全和受控，解決了老系統(tǒng)的諸多問題。溫度響應(yīng)數(shù)據(jù)比較表 如表2所示。

表2 新、老系統(tǒng)溫度響應(yīng)數(shù)據(jù)比較表

從表2中我們可以發(fā)現(xiàn)，除了響應(yīng)時間這一數(shù)據(jù)之外，新系統(tǒng)的響應(yīng)曲線遠遠優(yōu)于老系統(tǒng)。由于濾棒成型機組啟動前要進行20分鐘左右的機組預(yù)熱，所以實際上煙腔加熱系統(tǒng)的響應(yīng)時間對于整個生產(chǎn)過程是沒有太多意義的數(shù)據(jù)。圖8為新老系統(tǒng)的響應(yīng)曲線比較示意圖。

圖8 新老系統(tǒng)響應(yīng)曲線比較示意圖

6 結(jié)束語
對煙腔加熱系統(tǒng)的改進是建立在自動控制的理論與實踐相結(jié)合的基礎(chǔ)上，運用了MATLAB軟件進行模擬和推算，從而實現(xiàn)對控制方式和控制算法的甄別。通過這樣的設(shè)計方法，縮短了設(shè)計過程和減少了實物試驗的耗材。本文所采用的設(shè)計理念和設(shè)計過程可以作為其他同類“爐溫控制系統(tǒng)”的借鑒，同時，也可作為其他技術(shù)開發(fā)及改進項目的參考。