樸實無華，卻無所不在|溫控-品質、效率與成本的演繹
http://www.debgrams.com 2022-03-21 10:07 來源：貝加萊
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。
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