含气饮料啤酒灌装液位与压力的前馈控制应用_许智辉.pdf

含气饮料啤酒灌装液位与压力的前馈控制应用Feedforward Control Application of Filler Level and Pressure in Aerated Beverage and Beer Filler Abstract:To solve the problem of unstable filling in beer and beverage filling machine、Large fluctuation of liquid level and pressure,serious waste of materials,etc.The control scheme adopted in this project is to apply a variable feedforward disturbance control quantity to the position of the original traditional PID control output stage.This quantity can more intelligently calculate the opening of proportional valves to increase or decrease in advance than the current filling quantity.Key words:Filler;PID control;feedforward control;shift count;Siemens TIA1 引言灌装缸液位高度和背压压力的稳定性将直接影响产品的质量，以及物料和能源的利用率，所以保证液位和背压压力的稳定十分必要。分析研究认为，灌装缸液位和压力的稳定是影响灌装稳定性的主要原因之一。影响液位稳定性的主要原因是进液比例阀控制滞后所导致，影响背压压力稳定性的主要原因是液位不稳定和进气比例阀控制滞后。2 液位压力 PID 控制分析液位控制由灌装缸液位检测传感器和进液调节阀进行 PID 调节控制，具体模型如图 1。灌装缸压力控制由灌装缸压力检测传感器和 CO2进气调节阀进行 PID 调节控制，模型同理液位控制。此课题主要以液位控制来阐述，压力控制同理液位控制。摘 要：为解决啤酒饮料灌装机灌装不稳定、缸液位压力波动大、物料浪费严重等问题。此课题采取的控制方案是在原传统 PID 控制输出级的位置上施加一个可变的前馈扰动控制量,能够根据灌装数量智能计算出比例阀要提前增加或减少的开度。关键词：灌装机;PID 控制;前馈控制;移位计数;西门子 TIA 许智辉张晓飞孙仕龙技术60灌装机因故障停机或止瓶时，在灌装瓶迅速减少，灌装缸中原料消耗量迅速减少，液位调节阀无法迅速反应减小关闭，导致液位偏高。压力同样增高，在叠加液位增高的影响下，压力会进一步增高，可能导致排气阀打开，造成 CO2额外消耗。当灌装机停机故障或止瓶故障解除后，灌装机灌装瓶量迅速增加，液位调节阀无法迅速反应加大调节阀开度，导致液位出现短暂偏低现象，压力同样出现偏低，影响灌装质量。此时仅通过调节 PID参数，无法解决该问题。灌装机在固定瓶型固定速度下连续稳定生产时（例如速度 300B/M，容量 1000ML，将此时的速度、容量系数记为 1），灌装缸液位、压力均稳定在设定值附近，此时进液调节阀、CO2进气调节阀均稳定在一个开度附近。将该开度值记录：液位调节阀开度 OL，CO2调节阀OP。通过观察灌装过程，记录此状态下灌装速度系数speed，灌装容量系数 volume,完成灌装所需的总工位SL,注气总工位 SP。上述分析发现在同一瓶型和速度下，调节阀开度与同时灌装瓶数成固定比例关系。生产速度或瓶型容量增加导致调节阀开度增加，完成灌装所需总工位 SL 同样增加。那么前馈控制可根据当前灌装数量来控制。将此前测试的灌装速度系数记为 1，灌装容量系数为 1，速度与容量变化时按比例修改系数，在增加前馈比例系数 KL，(压力为 KP)便于调节控制。将当前灌装瓶数记为 SUBL(压力 SUBP)，该数据需要通过有瓶检测计数得出。液位前馈量记为DL，压力前馈量记为DP。在不同速度，不同灌装容量下均记录完成灌装所需总工位 SL，则可得出液位压力前馈量计算公式：为方便现场设置维护，引入灌装速度和灌装容量系数，使用测试状态下时的 SL可得出液位压力前馈量计算公式：在灌装机开始进瓶时，前馈值根据当前 SUBL 的增加而增加，最终达到最大稳定值。进液调节阀在缸液位反应前，打开调节阀。此过程中，PID 控制通过液位反馈进入控制，逐渐消除前馈控制影响，当前馈值达到最大稳定值后，前馈控制不再影响 PID 输出。当灌装机停止进瓶，前馈值根据当前 SUBL 的减小而减小，最终为 0。进液调节阀提前减小开度，直至关闭。通过此方式来优化控制，保证液位与压力稳定。3 程序设计程序设计以引入灌装速度和灌装容量系数的计算公式，这样只需要测试一种标况下的 SL即可，在其他速度与容量下自动计算前馈值，无需每次反复测试 SL。3.1 在原有灌装机西门子 TIA 程序基础上新增 piddis组，并新建 FC 块和 DB 数据块,DB 块新增以下数据，如图 2，可以确保该功能程序与数据的独立，在后期需要该功能的灌装设备中直接添加功能组即可，并在主程序中调用。其中液位/压力调节阀开度、液位/压力前馈系数、体积系数、开阀起始工位、开阀工位数、注气起始工位、注气工位数为 HMI 设定数据，其他数据为程序处理得出的数据。3.2 首先通过计算速度比例与结束工位，非定容灌装机中，没有灌装容量参数，需要 HMI 新增。图 1 TECHNOLOGY61液位设定值偏差传统的控制模型液位实际值PID 控制算法输出控制阀门液位设定值偏差改进后的控制模型前馈液位实际值PID 控制算法输出控制阀门3.3 为得到当前灌装与注气瓶数，通过分别将灌装、注气起始位置与结束位置进行有瓶检测计数累计，计算出当前正在灌装和注气的瓶数，并转换为 real 数据类型，用于程序计算。图 4 中 shiftdb.shift1“disdb”.SL1 数据，为开阀起始位置上的有瓶信号移位信号。shiftdb.shift1数组数据通过原移位程序得出。input.sync_pulse 为同步脉冲信号，灌装机每转动一个瓶子工位，产生一个脉冲。3.4 将前馈计算公式编入程序中，并将计算出的前馈量写入 PID 控制中。图 2图 4图 3技术62液位前馈系数进液调节阀开度灌装起始工位灌装总工位压力前馈系数进气调节阀开度注气起始工位注气总工位1.2040.07381.00%60.0210容量系数1.00经观察灌入新程序后，可将进液时的灌装缸液位控制在正负 6 毫米之内，压力控制稳定，不会应止瓶/停机而产生排气现象。图 7 显示某一现场增加前后液位对比，从表中看出出液位偏差明显减小。该液位控制需要灌装机前段 BBT 清酒泵（啤酒）控制可稳定控制进液管路压力，不能出现明显的进液滞后，否则进瓶和启动数会出现灌装缸液位下降严重。有混合机的项目中，进液管路压力由混合机控制，同样需要混合机带有恒压控制功能。液位传感器精度也是影响液位稳定因素，应在综合考虑性价比的情况下，选择一款线性精度高的液位计。作者单位/合肥中辰轻工机械有限公司 3.6 将液位/压力前馈系数、阀开度体积系数等数据添加到为 HMI 画面中，如图 6。4 结论课题通过将进液调节阀开度细化到每个灌装阀头上，通过实时计数，来实现前馈控制的实时性与细化。完善控制后，图 5图 6图 7参考文献1 崔坚 SIMATIC S7-1500 与 TIA 软件使用指南.北京：机械工业出版社，2016.32 吴中俊，黄永红 可编程序控制器原理及应用.北京：机械工业出版社，2004.43 胡寿松 自动控制原理.北京：科学出版社，2001TECHNOLOGY63