PID调节技术在PCB厂房的应用

谢　锋（汕头超声印制板公司，广东　汕头　515041）

PID调节技术在PCB厂房的应用

谢锋
（汕头超声印制板公司，广东汕头515041）

文章解析PID调节技术在PCB厂房设施的应用，举例说明如何运用PID控制技术，解决系统设备在房间温湿度控制精度能力不足、供水系统压力不稳定、废水处理过程酸碱度偏差大问题，通过PID调节技术自动调节，达到节能减排，减少成本，提升质量的目的。

比例积分微分控制；控制精度；节能减排

1　PID介绍

PID（比例积分微分）调节技术是工业生产中最常用的一种控制方式，适用于需要进行高精度测量控制的系统，它能根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行自动控制的。属于闭环控制系统，闭环自动控制技术是基于反馈的概念，包括三个部分：测量、比较和执行。

比例控制：其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

积分控制：控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中引入“积分项”。积分项对误差的影响取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它能推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小。

微分控制：控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。由于比例项的作用仅是放大误差的幅值，而微分项能预测误差变化的趋势，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超出。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，微分项就能改善系统在调节过程中的动态特性。当然，过大也会造成负效果。

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。公式为：

其中误差信号e（t） = SP（t） - PV（t），M（t）是PID控制器的输出值，Kc是控制器的比例系数（增益），Ti是积分时间，Td是微分时间，Minitial是M（t）的初始值，实际上是积分的初始值。

PID调节在PCB厂房设备、系统控制上，用途非常广泛、使用灵活，已有系列化产品，应用也比较方便。

本文针对PID调节技术在PCB厂房设施的应用，举例说明如何运用PID调节技术，解决系统设备在房间温湿度控制精度能力不足、供水系统压力不稳定、废水处理过程酸碱度偏差大问题。

2　PID调节在房间温湿度控制的应用

PCB生产房间的温湿控制精度是生产过程的基本控制要求之一。由于房间冷负荷变动，室外自然环境温湿度变化对房间内部的温湿度有较大影响，如何通过自动控制技术，减少外界因素对房间内部温湿度控制精度的影响显得非常重要。房间温湿度控制是一种非线性的、滞后的、时变的复杂过程，运用PLC的PID控制功能，实现PID模拟量对温度及湿度进行控制，能较好解决房间温湿度控制精度问题。

2.1系统改进前问题点

改进前旧式控制系统为：温度调节机构是机械热力膨胀式冷水流量调节阀，加湿控制为机械式湿度控制器，系统运行控制过程温度波动大，精度为±1℃，湿度控制精度差，精度为±10%。

2.2系统改进硬件配置

（1）西门子S7-200 PLC及模拟量控制模块，用于接收变送器模拟量信号，执行PID运算并输出模拟量。

（2）温度变送器，将房间的温度值转换成0～10V模拟电压；

（3）湿度变送器，将房间的湿度值转换成0～10V模拟电压；

（4）冷水流量比例调节阀，执行冷量调节；

（5）加湿流量比例调节阀，执行加湿水量调节。

2.3系统控制组成框图

系统控制是基于PLC（可编程逻辑控制器）的闭环控制，如上图所示，图中虚线部分属PLC，其控制原理主要由温、湿度变送器对房间温湿度转换成0～10V模拟电压，经PLC对给定值与检测值比较，进行PID运算，输出温、湿度控制值的模拟量，由执行机构冷水流量比例调节阀及加湿流量比例调节阀进行控制。PLC编程方面，在应用程序中调用PID向导生成子程序，完成PID控制。

2.4运行PID控制效果

由于改造后系统控制精度提高，系统存在过度冷却、过量加、除湿过程也基本消除。自动记录仪记录改造后温度控制精度达±0.5 ℃，湿度控制精度达±2%，对比改造前在能耗上节能达10%以上。

3　PID调节在供水压力控制的应用

PCB生产供水系统包含了自来水系统、DI水系统等，供水压力高，意味着能耗高，而压力供水系统压力波动大，意味着浪费及影响自动喷洗的稳定性，水压波动是由于整个生产系统用水量并非一个固定值，各生产线水量添加、部分生产线停机保养、用餐时间局部停机等问题使用整个系统的供水量是一个变量，造成水压波动。恒压供水问题可运用PID调节技术解决，由于变频技术的发展，早期采用“憋阀门”调压限流已成为历史，通过联合变频技术，实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，实时变换水泵输送流量，供水管网也向安全、节能及高品质的方向实现了飞跃。同时，由于供水压力稳定，有利于PCB生产过程工艺参数的控制，在稳定、提升质量发挥重要作用。

图1　系统控制组成

如今大部份品牌的变频器内部都已有PID功能。下述以VFD-F型变频器为例，说明PID调节在供水系统的应用。

3.1系统改造前情况

水泵星三角启动，工频运行，日常运行系统供水管压偏大，由于生产线用水不是一个固定量，特别是中午用餐，或个别生产线停产、保养时水压波动较大。

3.2系统改进硬件配置

（1）VFD-F型变频器；变频器内部已有PID运算功能，本方案投资少。

（2）电流输出压力变送器，4 mA ～ 20 mA模式对应0～1000 Pa；感应供水管网压力。

3.3系统控制组成框图

图2　系统控制组成框图

3.4PID设置参数设置

图3中下标表示对应的参数设置项目

（1）进入02-00，选取检测量由压力变送器供给的模拟电流4mA ～ 20 mA输入；

（2）进入10-00，设定PID控制检测参数对应最大参考值，此项对应压力变送器参数，如4mA ～ 20 mA可对应0～1000 Kpa；

（3）进入10-02，设定正负反馈模式；

（4）进入10-03，设定P值；根据不同的系统可优先选取P=3～7，

（5）进入10-04，设定I值；根据不同的系统可优先选取P=1～50

（6）10-04～08可按VFD-F提供的默认值。

3.5运用PID控制效果

泵站压力运行图4示：取样一个班次，压力基本处于一条直线。

整个控制系统中核心部分是PID自动运算，根据给定值与实际值的偏差，通过变频改变电机转速，系统运行中，电机转速变化，实现泵站供水管网压力恒定。对比改造前，节水节电达20%～30%，是非常可观的。

图3　参数设置

图4　泵站压力运行

4　PID调节在废水处理过程酸碱度（pH值）控制的应用

在PCB废水处理工艺过程中，常采用中和处理方法，需在系统中添加硫酸或氢氧化钠进行中和处理，使其pH值达到排放废水的标准。由于原水中酸碱度经常变化，添加量并非一个固定值，是一个变量，所以，采用PID调节，同样可以实现准确量药品添加。

4.1系统改进前问题点

中和处理过程工艺控制一般pH值为7～9；添加不足达不到工艺求，过量添加造成药品浪费；前期为人工通过调节添加泵的流量来控制，效果较差，波动大，人工投入量大。

4.2系统改进硬件配置

（1）VFD-B型变频器一台；变频器内部已有PID运算功能，本方案投资少。

（2）电流输出型PH计一只；4 mA ～ 20 mA模式；对应0～14 pH 值

4.3系统控制组成框图

图5　系统控制组成

4.4PID设置参数设置

图6中下标表示对应的参数设置项目。

10-01PID 检出值输入增益默认值1；

10-02比例值（P）增益，根据不同的系统可优先选取P=3～7

10-03积分時間（I），根据不同的系统可优先选取P=1～50

10-04积微分時間（D）默认值0

10-05积分上限值默认值100

10-06ID 值一次延迟默认值0

4.5运行PID控制效果

PID自动配药运行后图示：取样一个班次，PH值控制精度趋势为直线运行。

图6　参数设置

图7　自动配药运行

改造后由于pH值控制稳定，节约药品成本投入达10%以上，同时也减少人工投入。

5　PID 系统参数整定

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。二是工程整定方法，主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。

P参数设置：可先把P参数先设置大，避免开机出现超调和振荡，运行后视响应情况再逐步调小，加强比例作用的效果，提高系统响应的快速性，理想状态既能快速响应，又不出现超调或振荡。

I参数设置：可先把I参数设置大，系统投运后先把P参数调好，再把I参数逐步往小调，观察系统响应，以系统能快速消除静差进入稳态，不出现超调振荡为最佳。

D参数设置：可把D参数设置为O，即去除微分作用，系统投运后先调好P参数和I参数，P、I确定后，再逐步增加D参数，改善系统响应的快速性，以系统不出现振荡为最佳。

各个参数的控制规律：比例P使反应变快，微分D使反应提前，积分I使反应滞后。PID调节的一些经验值：

温度系统：P（%）20～60，I（分）3～10，D（分）0.5～3

流量系统：P（%）40～100，I（分）0.1～1

压力系统：P（%）30～70，I（分）0.4～3

液位系统：P（%）20～80，I（分）1～5

6　结论

在PCB生产过程中，经常会要求对一些物理量如温度、湿度、压力、pH值等进行控制，而这些物理量大多数随时间而变化的。传统开关量模式，控制精度差，特别是在一些旧设备、系统中此类问题较多。在提升改造中，运用变频器、比例控制器或PLC进行PID调节，对系统进行改造，投入费用不大，但取得的效果都比较理想。运用PID调节控制物理量，系统运行具稳定性、准确性、快速性，由于提高了控制参数的精度，对提升质量，节约成本，节能减排具有较大的意义。

VFD使用手册.

自动控制原理［M］. 2011年清华大学出版社出版图书. S7-200系统手册.

S7-200/400梯形逻辑编程（LAD）参考手册［M］. 2004.李江全. PLC模拟量与通信控制应用实例详解［M］.电子工业出版，2014.

Application of PID control technology in the PCB plant

XIE Feng

This study investigated PID controller technology in public facilities of PCB industry， and made examples of how to improve the accuracy of the temperature and humidity， stabilizing the pressure of water system and the pH value of wastewater treatment process by PID control technology， and save energy， reduce costs，improve quality.

PID Controller； Control Precision； Save Energy

TN41

A

1009-0096（2015）09-0061-05