引言
我国是世界上缺材少林国家之一，据专家预测，到2010年我国的木材消费需求将达到2.1亿立方米，而缺口达6000万立方米，其中人造板工业占相当大的消费比例，因此提高人造板生产效率意义重大。热压机作为人造板生产的关键设备，直接决定了生产效率及产品质量，而热压机性能的好坏又在很大程度上取决于其控制系统的优劣。传统热压机多为继电器控制，属于开关控制系统，而且工序转换信号多为压力信号，容易造成较大的位置超调，很难达到工艺要求。现代PLC产品已成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、数据处理功能、联网通信功能的真正名符其实的多功能控制器，已经普遍应用于各个领域。本文正是尝试利用现代PLC的PID功能改进现有热压机电液闭环控制系统，这种试验可以为热压机控制系统的进一步研究提供实例和借鉴。
1 控制对象及控制任务
 实验热压机是木材加工工业、科研单位、高等院校等的实验室设备之一，可作纤维板、刨花板、胶合板、表面装饰板、塑料板等的热压实验之用。除了加热系统外，其工作特征和结构与生产型热压机基本相同。图1为本文所研究的QD-100实验型热压机结构简图。
1.1基本工作原理
实验热压机（如图1）上压板2固定，正常工作时通过控制位于压机底部的柱塞缸，使得柱塞5带动下压板4向上移动，将板坯压实；经过热压处理后，柱塞5带动下压板4向下移动，到位后为下一次工作做准备。根据人造板生产工艺的要求，在压机工作过程中，关键是位置控制和压力控制，在这里我们主要讨论位置控制的实现。图2是位置控制主要的控制原理图，系统是通过比例流量阀来进行速度调节，进而实现位置控制。
1.2 控制对象及控制任务
在热压机位置控制系统中，控制对象是比例阀。本系统所采用的是德国力土乐(REXROTH)公司生产的2FRE-4X比例流量阀，图3是该阀的电压-流量（即输入-输出）曲线图，从图中可以看出该阀具有两种增益，且各自的线性度都非常好，但存在大约10%的死区。
人造板热压工艺要求下压板不仅能准确到位，而且在工艺允许范围内，运行的时间尽量短，因为这样可以减小板的预固化层的厚度，从而提高板的物理性能。换句话说，就是在保证没有位置超调的情况下，尽量缩短压机闭合时间。为了缩短闭合时间，就必须提高闭合速度，这就使阀工作在增益较大的线性段上，而当阀工作在高增益段时，将会产生超调。
在实际工作中我们采用了两种控制方案，一种是分级调速，具体做法是在开始工作时，采用较大的速度运行，运行到某一位置时，切换到慢速运行，尽量保证准确到达位置。这种做法在某种程度上是牺牲了调节时间，以达到位置控制精度。另一种是利用PLC本身自带的PID功能，对系统进行串联PID校正。前一种方法比较简单，这里不再详述，主要介绍PID校正的方法。
1.3系统结构及硬件组成
 热压机电液闭环控制系统是一个集电气控制、液压控制和计算机控制于一体的先进控制系统。图4为系统的结构原理框图。
热压机的电液控制系统采用西门子CPU 222 CN型PLC作为主要控制设备，由于CPU 222 CN型PLC自身所带I/O点有限，且没有模拟量输入输出。所以根据控制要求，加上了一块数字量I/O扩展模块（EM233）和一块模拟量扩展模块（EM235）。
2 程序设计
2.1 I/O分配表
输 入 |
输 出 |
I0.0 |
启动按钮 |
Q0.0 |
泵1 |
Q0.5 |
4DT |
I0.1 |
上升按钮 |
Q0.1 |
泵2 |
Q0.6 |
5DT |
I0.2 |
手动下降 |
Q0.2 |
1DT |
Q0.7 |
6DT |
I0.6 |
急停按钮 |
Q0.3 |
2DT |
Q1.0 |
7DT |
AIW0 |
位移传感器 |
Q0.4 |
3DT |
AQW0 |
比例电磁铁 |
注：因本文主要讨论热压机的位置控制系统，所以只列出了与位置控制相关的输入、输出。
2.2 程序设计的几个要点
1．选择合适的PID调节的开始点
从缩短压机闭合时间的角度出发，希望比例阀始终保持最大开度，这样压机就可以以最大速度闭合，以达到最小的闭合时间，但这样做就必然会产生较大的超调，这是系统控制所不允许的。现在我们选用手动PID调节，即在开始工作时，将比例阀开到最大，使压机以最大速度闭合，在接近目标位置时，切换到PID调节。通过选择适当的切换点，可以使压机几乎在最大速度下闭合。
2. PID调节采样周期的选取
采样周期受诸多因素影响，有些起主要作用，有些是相互矛盾的，必须视具体情况作出折衷的选择。本系统控制对象是比例流量阀，属于工业中常用的对流量控制的范畴，这种情况采样周期的选择主要取决于阀的动作时间，所以在实际工作中，可以根据阀的最大动作响应时间来选取合适的采样周期。
3. PID调节过程的死区补偿
从前面比例流量阀的电压－流量曲线图上可以看到，比例流量阀存在大约10％的死区。当PID的输出值进入死区时，尽管PID仍在执行，但由于阀处于死区范围，此时的流量近似为0，这就使整个控制陷入一种僵持局面。因此，需要对PID过程进行补偿，并且补偿量要大于死区的临界值，可通过实验来确定实际的最小补偿量。
2.3 PID调节的主要程序
PLC中所带的PID功能一般由一个初始化子程序和一个中断子程序组成，PLC通过定时中断的方式完成PID功能，PID的调节方式有自动和手动两种，其中手动PID要指定相应的切换条件。PLC在执行PID功能时，将PID运算中所需的设定值及过程变量值都存储在由一定范围的内存所构成的循环表中，PID指令在执行过程中，直接从表中获取所需的值，所以在调用PID功能时，一定要指定其循环表的内存地址。本例中PID的主要程序（STL）为：
主程序：
NETWORK 1 //在主程序中调用PID初始化子程序
LD SM0.1
CALL SBR_0
初始化子程序：
NETWORK 1
LD SM0.0
MOVR 0.9, VD304 //将设定值写入循环表中
MOVR 1.0, VD312 //设定比例常数
MOVR 0.2, VD316 //设定采样周期
MOVR 300.0, VD320 //设定积分时间常数
MOVR 0.0, VD324 //设定微分时间常数
MOVB 200, SMB34 //设定PID执行周期
ATCH INT_0, 10
ENI
中断子程序
NETWORK 2 //变量当前值转换
LD SM0.0
MOVW VW0, AC0
DTR AC0, AC0
MOVR AC0, VD300
/R 30000.0, VD300
NETWORK 3 //手动PID
LD M0.6 //手动PID切换条件
PID VB300, 0
NETWORK 4 //PID输出
LD SM0.0
MOVR VD308, AC0
*R 30000.0, AC0
TRUNC AC0, AC0
MOVW AC0, AQW0
3 实验比较
热压机的位置控制系统在PID校正前采用的是分级调速，为了说明校正后的效果，我们从两个方面对位置控制系统校正前后的性能进行了比较。一方面，在无位置超调的情况下，比较系统校正前后的调节时间；另一方面，比较调节时间相同时，系统校正前后的位置控制精度。
1 选取某个位置作为分级调速的速度切换点，同时取该位置作为PID调节的开始位置，在该位置前两种情况的速度一致。在分级调速时，通过试验选择能不产生位置超调的最大速度，并记录该曲线（如图5所示）；通过试验，选择一组合适的PID参数，同样在保证不产生位置超调的情况下记录该曲线（如图5所示）。从图5的分析中可以看出，PID校正后的系统调节时间缩短了8秒左右。
注：本文实验的人机界面采用了Micro Computing通讯控件，数据采集速率是每秒3个数据，因为图5、图6以采集点数作为横坐标，所以的时间轴的基本单位是1/3秒。图5、图6的纵坐标是位移传感器的模拟量输入，通过试验标定，每毫米对应的模拟量输入是100，所以位移轴的基本单位是1/100毫米。
2 选取某个位置作为分级调速的速度切换点，同时取该位置作为PID调节的开始位置，在该位置前两种情况的速度一致。在校正后的系统中，通过试验选择一组合适的PID参数，使调节时间较短，且不产生位置超调，并纪录该曲线（如图6所示）；在分级调速时，通过试验选择一个切换速度，使得系统的调节时间与PID校正后系统的调节时间基本一致，并记录该曲线（如图6所示）；从图6的分析中可以看出，分级调速时系统产生了明显的位置超调。
注：图6中右图为左图的局部放大图。
结论
现在许多工业系统采用了PID调节作为系统校正模式，而且还出现了专用的PID调节器。对人造板热压机的控制系统而言，S7 200所带的PID调节功能可以很好地实现控制要求，是一种行之有效的系统校正方法。这样不仅提高了PLC的利用效率，而且系统改造几乎不需要硬件投入，从而节约了开发成本。但是，由于PID校正在热压机控制系统中应用仍不广泛，所以缺乏经验参考，PID的参数整定只能以试凑法为主，实际操作了，可以先采用正交法分析PID校正中各主要影响因素对系统性能影响的强弱，再以此为指导整定PID参数，这样可以较快地整定出合适的PID参数。 |
