內(nèi)耗是一種非常需要被消除的存在，它通常會(huì)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(jī)器控制中，雖然看上去加熱的目標(biāo)是達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)，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(dòng)化(中國(guó))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(yīng)用中，能源消耗占據(jù)了高達(dá)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(gè)環(huán)節(jié)中，若是1%的能耗節(jié)省，對(duì)于每個(gè)制品廠而言，就是大量的成本可被轉(zhuǎn)為利潤(rùn)。對(duì)于機(jī)器制造商而言，若能夠設(shè)計(jì)出能耗更低的設(shè)備，則更為市場(chǎng)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(shí)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(dòng)器、伺服泵技術(shù)，其三、管理節(jié)能，即，更為有效的動(dòng)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(shí)施，而工藝節(jié)能占比較高，而且通常會(huì)有很多內(nèi)耗其中不易被有效實(shí)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(gè)參數(shù)尋優(yōu)，并輸出控制加熱/冷卻物理對(duì)象執(zhí)行-其中有眾多訣竅，蘊(yùn)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(bǔ)戰(zhàn)略上的欠缺”，溫度控制策略的設(shè)計(jì)對(duì)于節(jié)能也很關(guān)鍵。凡是有過駕車經(jīng)驗(yàn)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(shí)候，總是看到一點(diǎn)風(fēng)吹草動(dòng)，就開始努力干活，那么，就會(huì)讓系統(tǒng)不斷處于調(diào)節(jié)中，這就相當(dāng)于車的頻繁啟停或人的頻繁變向加減速，PID的調(diào)節(jié)大家都知道，如此頻繁，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)因?yàn)轭l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(cè)溫度受到的干擾被濾除，降低不必要的調(diào)節(jié)過程，進(jìn)而節(jié)省能耗。

　　“就這”?其實(shí)，要做到這一點(diǎn)，需要具備：①高級(jí)算法支持能力——這得益于貝加萊控制器的復(fù)雜算法支持能力，②對(duì)工藝過程的豐富工程經(jīng)驗(yàn)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(gè)渦輪增壓器

　　汽車通常發(fā)動(dòng)機(jī)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(jiǎn)單設(shè)計(jì)即可增強(qiáng)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(gè)類似渦輪增壓的設(shè)計(jì)，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(zhǎng)時(shí)間的收斂，快速達(dá)到設(shè)定溫度，進(jìn)而獲得能耗的節(jié)省。

　　當(dāng)然，汽車的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)還是要增加物理的成本，而對(duì)于貝加萊的溫度控制而言，這是軟件意義的增壓器——一個(gè)前饋算法，仍然運(yùn)行在Intel X86架構(gòu)的高性能處理器上，無需額外增強(qiáng)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(jī)、擠出機(jī)這些機(jī)器，它們還有一個(gè)內(nèi)耗來源，就是相互的干擾——因?yàn)橥ǔＢ輻U在擠出過程中，加熱并非只有一個(gè)溫區(qū)，少則4個(gè)多則10余個(gè)。那么，他們之間就會(huì)相互干擾，這種干擾就會(huì)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(duì)象通常包含多個(gè)溫度的情況，各個(gè)溫區(qū)負(fù)載大小不同，加熱時(shí)間不同，負(fù)載同步加熱可以讓各個(gè)負(fù)載同時(shí)達(dá)到設(shè)定溫度，避免有的溫區(qū)先到達(dá)了設(shè)定溫度，但相鄰溫區(qū)還在加熱中，會(huì)對(duì)其溫度穩(wěn)定造成影響。

　　(4)妙招4：對(duì) 沖

　　對(duì)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(biāo)是達(dá)到的，但是，由于加熱與冷卻對(duì)沖帶來的“內(nèi)耗”無法被有效控制，而導(dǎo)致了其間的能源消耗無法被有效控制。而貝加萊的溫控對(duì)此予以策略性實(shí)現(xiàn)，即，通過對(duì)加熱和冷卻的變化率影響獲得占空比的差異-利用對(duì)沖中的價(jià)值權(quán)衡(加熱/冷卻成本)，進(jìn)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(zhǔn)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(huì)嚴(yán)絲合縫地沿著所示的斜坡加熱，精準(zhǔn)控制能源消耗

　　對(duì)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(huì)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(huì)按照嚴(yán)絲合縫的方式沿著如圖2所示的斜坡來加熱，精準(zhǔn)控制自然獲得精準(zhǔn)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(shí)際上是兩個(gè)世界的事情。因?yàn)椋瑪?shù)字有時(shí)候會(huì)有一定的遮蔽性，在直觀的意義上，要達(dá)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(yīng)性?

　　貝加萊溫度控制，設(shè)計(jì)了非常好的自學(xué)習(xí)方式的參數(shù)整定，對(duì)濾波、前饋、PID參數(shù)，結(jié)合物理對(duì)象，構(gòu)成完整的整體。融合了物理與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)溫度的智能控制，具有產(chǎn)品的適應(yīng)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(gè)妙招，都是經(jīng)由大量的生產(chǎn)實(shí)踐不斷迭代而成，被全球知名的塑料機(jī)械制造商驗(yàn)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(chǎng)景。

　　(4)在出錯(cuò)時(shí)候，它是否更易于定位問題?

　　mapp模塊包括大量的報(bào)警、趨勢(shì)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(jī)器在遠(yuǎn)程被有效的定位，為機(jī)器制造商遠(yuǎn)程維護(hù)與診斷提供高效支撐。

　　3 什么是Know-How?

　　Know-How這個(gè)東西，最大的特點(diǎn)就是“心有靈犀一點(diǎn)通”，有時(shí)候，人們總是在問，什么是機(jī)器的智能?其實(shí)，機(jī)器的智能是人賦予的。即便是機(jī)器，也是像人學(xué)習(xí)的—而這里，就蘊(yùn)含著工程師的經(jīng)驗(yàn)積累。

　　很多時(shí)候，人們似乎更喜歡所謂的“高科技”、認(rèn)為越是前沿的東西就越先進(jìn)，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(chǎng)，與機(jī)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(cè)試，進(jìn)而形成了他們對(duì)于機(jī)器的理解，對(duì)于工藝的理解，成為一個(gè)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(yàn)通過建模的方式，形成應(yīng)對(duì)各種變化的模型，進(jìn)而通過軟件的模塊化封裝成為可被廣泛客戶應(yīng)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。