Управление инерционными процессами

Управление инерционными термическими процессами

Необходимо пояснить, как была представлена задача в начале работ.
Для реализации алгоритма управления был выбран сенсорный программируемый контроллер СПК107 от компании ОВЕН, для обработки полевых сигналов было использовано программируемое реле ПР200.
Камера полимеризации (по объему 20м2) порошковой краски разделена на две части и может быть использована раздельно. Печь полимеризации порошковой краски может быть загружена полностью, а может быть загружена только одна из условных половин.
При этом должен быть выдержан технологический режим, подразумевающий следующие стадии:
1. Выход на режим прогрева детали
2. Прогрев детали (время и температура из рецепта)
3. Максимально быстрый выход на режим запекания
4. Запекание детали (время и температура из рецепта)
5. Охлаждение детали


 
Стоит сразу отметить, что скорость развития процесса у двух зон печи была разной. На это влияло как состояние самих тэнов, так и состояние вентиляционных каналов, обеспечивающих проток теплоносителя. Любая, даже совсем незначительная с виду, погрешность серьезно влияла на разгонные характеристики.
Так, например, температура с 20°С до 190°С могла расти около 30 минут, при этом разница температур в двух зонах иногда достигала 20°С. То есть пока одна из зон только стремилась к достижению желаемой величины, то вторую уже нужно было охлаждать (жаль, было нечем).
Крайне важная деталь: по условию правил полимеризации отклонение по температуре более 2°С вверх и 2°С вниз от уставки являлось критерием брака. То есть к качеству выхода на температуру и удержанию температуры в заданном эшелоне предъявлялись повышенные требования. Разогрев детали должен был быть максимально коротким, то есть мощность тиристорных модулей должна быть максимальной (100%), максимальный период времени.


 
Полимеризация порошковой краски, так выглядят тэны


 
Так выглядят тиристорные сборки MEYERTEK, позволяющие управлять нагрузкой на тэнах

Изначально пусконаладочные работы не предусматривались. По требованию Заказчика отработку вели с помощью стенда. Нагревали сравнительно небольшой короб, и PID регулирование вполне справлялось с контролем процесса нагрева. Как позднее выяснилось, в этом была ошибка, так как основную часть трудозатрат взяло именно ПНР на объекте. 
Год спустя, когда данная система была смонтирована на заводе и потребовала квалифицированной настройки, оказалось, что модель стенда не подошла для реальных условий. ПИД регулирование, при всех своих достоинствах, напрямую к реальному процессу нагрева и стабилизации подходило плохо. При настройке ПИД контура происходила некоторая раскачка температур с дальнейшей стабилизацией, хотя в данном случае любые качели температурного графика были недопустимы.


 
Потратив день на поиски нужных коэффициентов PID, стало понятно, что данную задачу быстро решить не получится. Температура постоянно улетала за 4°С и выдержать корректное значение не получалось.
Пришла мысль создать событийный алгоритм, позволяющий выводить температуру к уставке строго снизу от установленного значения и удерживать ее. При этом приходилось учитывать тот факт, что если не выключить (перевести в 0%) оба тэна, то сказывалось паразитное влияние тэна, стремящегося развить температуру не в своей зоне, который обязательно нагревал ту зону, которая и так была перегрета.


 
Для решения этой задачи были созданы функциональные блоки, позволяющие интерпретировать в битовые переменные такие функции, как «Рост значения», «Стабильно», «Падение значения». Данные биты использовались для принятия решений в событийном алгоритме.
 


Также пришлось написать функцию определения угла наклона функции. То есть через каждые 500мс записывался срез данных в массив и эти данные анализировались между собой, высчитывая угол наклона.


 
Таким образом, на этапе разогрева детали до 185°С, при достижении 175°С приходилось «сбрасывать» мощность тэнов до нуля. Далее температура росла по инерции. Дождавшись окончания действия инерции или приближения к установленному значению снизу, при достижении границы менее 5°С, выходы регуляторов PID логически соединялись с регуляторами мощности. Таким образом, получалось избегать ситуации с плохо контролируемым «выбегом» температуры. 
Функция вычисления угла наклона смогла позволить определить не только рост или падение, но и степень окончания роста температуры (снижение угла). То есть пока температура идет по инерции (а инерция довольно большая), то значения будут выше 8°С, а если становится меньше 8°С, то инерция затухает и можно смело добавлять мощность, контролируя, конечно, расстояние до установленного значения.


 
Если какая-то из зон превышала установленную температуру, даже если на 1°С, то мощность тэнов принудительно выключалась, засекался таймер в 15 секунд для времени стабилизации процесса, по окончанию которого проводился анализ температуры. Если регистрировалось падение любой из температур, то подключались регуляторы. Таким образом, температуры самовыравнивались и получалось поддерживать температуру в пределах установленного значения.
 



 
Кроме того, была проведена работа по замене термопары с преобразователем температуры. Изначально Заказчик установил на крыше печей датчики с типом «термопара», а также в самом датчике стоял преобразователь 4 – 20мА (таблетка). Термопары сами по себе медленные, да и эти преобразователи добавляли инерции, что в конечном итоге уменьшало точность и приводило к необходимости программного решения вопросов «выбега» значений. Впоследствии датчики температуры были заменены на термосопротивления (т.к. они проходили по температуре). Чувствительность процесса в связи с этим заметно улучшилась.









#Инерционныепроцессы, #камераполимеризации