消除內(nèi)耗——溫控節(jié)能中的5個妙招
文:貝加萊2023年第二期
內(nèi)耗是一種非常需要被消除的存在,它通常會讓我們投入很多能量卻并未被有效的用于真正的做功。就拿最為普遍的溫度控制來說,在很多機器控制中,雖然看上去加熱的目標是達到設(shè)定的目標,且也能保持一定精度,但是,卻常常有看不到的內(nèi)耗隱藏其中。
文/貝加萊工業(yè)自動化(中國)有限公司
在塑料工業(yè)里,注塑、擠出、吹瓶、吹膜這類熱成型類應用中,能源消耗占據(jù)了高達60%的制品成本。而這些設(shè)備通常又需年累月的生產(chǎn),因此,在這個環(huán)節(jié)中,若是1%的能耗節(jié)省,對于每個制品廠而言,就是大量的成本可被轉(zhuǎn)為利潤。對于機器制造商而言,若能夠設(shè)計出能耗更低的設(shè)備,則更為市場所青睞。
1 溫度控制中的節(jié)能訣竅
節(jié)能,一般有三條“路”,其一、工藝節(jié)能,通過工藝過程控制來實現(xiàn)最有效的節(jié)能,其二、設(shè)備節(jié)能,采用更為有效的節(jié)能方法如更高能效比的變頻器、伺服驅(qū)動器、伺服泵技術(shù),其三、管理節(jié)能,即,更為有效的動力系統(tǒng)管理,如變壓器的溫升、三相均衡、無功功率的管理等。
而三種節(jié)能“道路”中,設(shè)備節(jié)能與管理節(jié)能通常易于被實施,而工藝節(jié)能占比較高,而且通常會有很多內(nèi)耗其中不易被有效實現(xiàn)。
圖1 貝加萊溫度控制算法
圖1為貝加萊溫度控制(mappTemperature)算法之策略架構(gòu),即,通過參數(shù)整定,為PID控制器提供濾波、前饋、軌跡多個參數(shù)尋優(yōu),并輸出控制加熱/冷卻物理對象執(zhí)行-其中有眾多訣竅,蘊藏其中。
(1)妙招1:消除不必要的努力
人們常說“不要試圖通過戰(zhàn)術(shù)上努力來彌補戰(zhàn)略上的欠缺”,溫度控制策略的設(shè)計對于節(jié)能也很關(guān)鍵。凡是有過駕車經(jīng)驗的人都知道,頻繁的啟停最是耗油。踢球的人也知道,頻繁的變向跑過人最消耗體力。那么,同樣道理,如果控制系統(tǒng)在溫度調(diào)節(jié)的時候,總是看到一點風吹草動,就開始努力干活,那么,就會讓系統(tǒng)不斷處于調(diào)節(jié)中,這就相當于車的頻繁啟?;蛉说念l繁變向加減速,PID的調(diào)節(jié)大家都知道,如此頻繁,就會導致系統(tǒng)因為頻繁調(diào)節(jié)而帶來能耗過大。
因此,在溫度控制中,增加Kalman濾波環(huán)節(jié),使得不合適的輸入測溫度受到的干擾被濾除,降低不必要的調(diào)節(jié)過程,進而節(jié)省能耗。
“就這”?其實,要做到這一點,需要具備:①高級算法支持能力——這得益于貝加萊控制器的復雜算法支持能力,②對工藝過程的豐富工程經(jīng)驗積累,了解貝加萊的都知道,貝加萊耕耘塑料行業(yè)超過30余年。
(2)妙招2:給溫控加個渦輪增壓器
汽車通常發(fā)動機有T系列,即渦輪增壓器,它通過將燃燒腔里的多余熱量回收,又用于燃燒腔內(nèi)的溫度保持,這一簡單設(shè)計即可增強燃油的使用效率大幅提高,同樣道理-溫度控制也可以增加這個類似渦輪增壓的設(shè)計,即,前饋控制,通過前饋,能夠使得PID的調(diào)節(jié)速度不必經(jīng)過長時間的收斂,快速達到設(shè)定溫度,進而獲得能耗的節(jié)省。
當然,汽車的渦輪增壓發(fā)動機還是要增加物理的成本,而對于貝加萊的溫度控制而言,這是軟件意義的增壓器——一個前饋算法,仍然運行在Intel X86架構(gòu)的高性能處理器上,無需額外增強處理器能力,不僅充分利用了CPU算力,也提高了溫度控制效率。
(3)妙招3:解耦,消除相互的干擾
像注塑機、擠出機這些機器,它們還有一個內(nèi)耗來源,就是相互的干擾——因為通常螺桿在擠出過程中,加熱并非只有一個溫區(qū),少則4個多則10余個。那么,他們之間就會相互干擾,這種干擾就會帶來“內(nèi)耗”,因此,必須要有行之有效的“解耦”控制策略來解決問題。
塑料工業(yè)被控對象通常包含多個溫度的情況,各個溫區(qū)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(shè)定溫度,避免有的溫區(qū)先到達了設(shè)定溫度,但相鄰溫區(qū)還在加熱中,會對其溫度穩(wěn)定造成影響。
(4)妙招4:對 沖
對于包含加熱與冷卻系統(tǒng)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(nèi)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(xiàn),即,通過對加熱和冷卻的變化率影響獲得占空比的差異-利用對沖中的價值權(quán)衡(加熱/冷卻成本),進而有效的調(diào)節(jié),從而消除這種內(nèi)耗帶來的能源消耗。
(5)妙招5:精準控制最節(jié)能
工藝控制,肯定首先要滿足品質(zhì)的需求,然后要保障節(jié)能。就是既要品質(zhì),又要節(jié)能——這兩者之間總是那么看上去不好協(xié)調(diào)。
圖2 通過溫度的軌跡曲線生成,系統(tǒng)會嚴絲合縫地沿著所示的斜坡加熱,精準控制能源消耗
對于熱成型工藝中的溫控來說,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(shè)定值發(fā)生變化。傳統(tǒng)PID容易產(chǎn)生過沖,貝加萊通過溫度的軌跡曲線生成,系統(tǒng)會按照嚴絲合縫的方式沿著如圖2所示的斜坡來加熱,精準控制自然獲得精準的能源消耗,不多也不少是最好不過。
2 能用與好用的溫度控制的差異?
“能用”和“好用”實際上是兩個世界的事情。因為,數(shù)字有時候會有一定的遮蔽性,在直觀的意義上,要達到所需的溫度設(shè)定并不難,但是,好用就包含了更多的需求:
(1)它是否具有良好的適應性?
貝加萊溫度控制,設(shè)計了非常好的自學習方式的參數(shù)整定,對濾波、前饋、PID參數(shù),結(jié)合物理對象,構(gòu)成完整的整體。融合了物理與數(shù)據(jù)驅(qū)動,實現(xiàn)溫度的智能控制,具有產(chǎn)品的適應性高,溫度精度高、無超調(diào)、平滑斜坡跟蹤能力。
(2)它是否節(jié)能?
在本文談到了五個妙招,都是經(jīng)由大量的生產(chǎn)實踐不斷迭代而成,被全球知名的塑料機械制造商驗證過的高可用性算法。
(3)它是否易于使用?
通過mappTemperatue,它可以與mappVIEW形成良好的用戶友好交互,配置參數(shù)及生產(chǎn)場景。
(4)在出錯時候,它是否更易于定位問題?
mapp模塊包括大量的報警、趨勢等,并可以通過可視化方式呈現(xiàn)。系統(tǒng)內(nèi)嵌的Web Service、OPC UA可以讓機器在遠程被有效的定位,為機器制造商遠程維護與診斷提供高效支撐。
3 什么是Know-How?
Know-How這個東西,最大的特點就是“心有靈犀一點通”,有時候,人們總是在問,什么是機器的智能?其實,機器的智能是人賦予的。即便是機器,也是像人學習的—而這里,就蘊含著工程師的經(jīng)驗積累。
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(yè)更需要的是靜下心來不斷打磨產(chǎn)品的工匠精神。他們總是在現(xiàn)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。
這些專家,在貝加萊不但能解決問題,還能把這種經(jīng)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(yè)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?yōu)楫a(chǎn)業(yè)的付出。
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