PID控制在感光乳劑制備中的應用

張振紅

(中國航天集團樂凱華光印刷科技有限公司，河南 南陽 473000)

可編程控制器(PLC)是現代工業自動化支柱之一，近年來發展迅速，應用廣泛，在對諸如溫度及流量等過程變量實施控制時，一般只需在其基本硬件上另配D/A、A/D模塊，再采用相應廠家提供的PID功能塊，設置好參數，即可完成控制回路的構建。一般廠家只提供標準的PID控制功能塊，其靈活性和適用性不高，對于復雜的被控對象和工藝要求苛刻的場合，這種常規填表式的PID方法往往難以獲得滿意的控制效果，而采用自適應控制、模糊控制以及神經元控制等方法，實現起來又有種種不便和限制。

1 工藝簡介和控制要求①

銀鹽感光乳劑是一種具有高成像性能和高分辨率的材料，制備好的乳劑經過涂布干燥和分切包裝就成為照相膠卷、電影膠片和電子線路制版軟片。在乳劑生產中有稱之為二成熟的重要物理成熟過程，溫度和時間對感光微晶的生長和形狀(乳劑性能)影響很大。每批次的乳劑生產中，不管是升溫階段，還是恒溫階段，工藝上都不允許有超過±1℃的偏差，升溫過程控制在23min。加熱水箱進的是自來水和本身溫度變化不大的熱水(±1.6℃)，控制上采用常規PID串級實現方法，基本上能滿足生產工藝要求，溫度控制簡圖如圖1所示。但在2010年，公司引進柯尼卡乳劑制備技術后，溫度偏差極限變為±0.5℃，同時因節能需要，加熱水箱的熱水改為蒸汽。根據其他相關設備的控制情況來看，如仍采用以前的串級控制，在二成熟釜的恒溫時段問題不大，但在升溫時段的末期，溫度超調將達到6℃以上，生產根本無法繼續進行。

圖1 成熟釜溫控簡圖

2 對FB41的改進和溫度控制策略的實施

西門子S7-300、400PLC控制器中的PID控制功能塊FB41(包括其他PID功能塊),是基于應用定位方面的原因，用于過程變量的串級控制有明顯不足之處，無法和DCS系統中相應的功能塊相比，主要是控制上手動、自動間的無擾切換問題，這給前期調試和串級控制帶來很大不便。幸運的是FB41中過程變量多、對編程人員開放，更重要的是FB41的源代碼很容易找到，這為深入剖析和改造FB41，實現具有針對性的靈活控制，滿足特定的工藝控制要求提供了條件。在乳劑制備中，一成熟過程溫度控制用的是橫河DCS CS3000R3系統，在現有條件下，靈活的溫度控制策略難以實現。

2.1 對FB41的改進

FB41的具體改進措施有：

a. FB41自身雖帶有手動到自動的切換功能，但不是完全無擾動，需另外在手動→自動時(瞬間)將過程值PV_IN送給設定值SV_INT，然后再加一斜坡函數，從而實現完善的手/自動無擾切換。

b. FB41無自動到手動的無擾切換功能，通過另外編程，將PID輸出值LMN_PER送給手動值MAN,再加一斜坡函數即可。

c. 以上兩點是針對PID單回路而言的，對于由FB41組成的雙回路串級控制，要實現主環和副環的手動、自動無擾切換，當然要復雜些，但基本原理一樣。

2.2 控制策略的實施

由于釜壁、乳劑物性以及乳劑量等原因，和水箱溫度T1相比，乳劑溫度T2出現滯后、非線性的現象，問題的關鍵集中在對T1的控制上。

首先，在現場確定蒸汽調節閥的最大開度(以水箱少量蒸汽溢出為準)。然后參照T2的設定值SV2 (以影像制版印刷軟片乳劑為例，SV2為72℃)，設置水箱T1的設定值SV1為80℃，T1和T2間的差值ΔT為8℃，ΔT值是由相關經驗和現場試驗確定的，既可滿足對于升溫時間的要求，又避免了蒸汽的浪費，以及因ΔT數值不當，造成對控制的不良影響。

水箱溫度T1被控制在80℃(此時整個系統是單副環運行)，當乳劑溫度T2升至70℃時，T1設定值SV1再降為72℃。由于整個水箱和管道容量不大，T1變化迅速，在3min內基本穩定，然后將主環投入自動，主環和副環之間加無擾動處理，實現串級控制，系統很快進入恒溫時段。

以上策略中，蒸汽閥的最大開度、SV1值的設置和變化、ΔT的大小是關鍵。實施這種靈活的控制策略后，升溫時段的曲線非常理想，完全滿足了工藝要求，這是通常簡單地采用填寫控制參數、實現PID串級控制所無法達到的。

3 結束語

生產工藝上的特殊要求，需要相應的控制策略來實現，針對銀鹽感光乳劑生產上存在的問題，在對現場設備、生產工藝十分熟悉的基礎上，打破常規思維，采用靈活的控制策略，利用西門子S7-300PLC中PID功能塊(FB41)，實現了對乳劑制備過程中溫度的成功控制。