《電子技術(shù)應(yīng)用》
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西門子S7-200在紙袋糊口機(jī)同步控制系統(tǒng)上的應(yīng)用
摘要: 由于以紙、塑料薄膜、復(fù)合材料為包裝材料的生產(chǎn)線得到越來越廣泛的應(yīng)用,包材的準(zhǔn)確傳送顯得尤為關(guān)鍵,特別是在多級傳動電機(jī)同步運(yùn)行控制中,各傳動電機(jī)在升速或降速的過程中要求多級傳動電機(jī)能夠及時地同步運(yùn)行。本文以紙袋糊口機(jī)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)為背景,介紹PLC在同步控制中的應(yīng)用。
Abstract:
Key words :

前 言
    
    由于以紙、塑料薄膜、復(fù)合材料為包裝材料的生產(chǎn)線得到越來越廣泛的應(yīng)用,包材的準(zhǔn)確傳送顯得尤為關(guān)鍵,特別是在多級傳動電機(jī)同步運(yùn)行控制中,各傳動電機(jī)在升速或降速的過程中要求多級傳動電機(jī)能夠及時地同步運(yùn)行。本文以紙袋糊口機(jī)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)為背景,介紹PLC在同步控制中的應(yīng)用。
    
    1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    1.1 系統(tǒng)組成
    該生產(chǎn)線利用聚丙烯編織布(PP)、聚乙烯薄膜(PE)等材料作為制袋布,袋長760mm,袋寬630mm。采用4套色印刷,生產(chǎn)速度60條/分鐘,包括印刷切斷和成型兩個工段。印刷切斷工段主要負(fù)責(zé)將編織布卷(PP、PE)進(jìn)行塑編布的4種顏色的正反面著墨印刷,印刷后的編織布通過切刀按照設(shè)定的袋長進(jìn)行切割,配置1個現(xiàn)場操作臺、一個變頻器擴(kuò)展柜(配有2個變頻器);成型工段主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向、施膠、打開、糊口、糊底等,一個現(xiàn)場操作臺、一個繼電器擴(kuò)展柜、一個變頻器擴(kuò)展柜(配有2個變頻器)完成控制。
    
    1.2 硬件構(gòu)成
    該項(xiàng)目采用西門子S7-200最新的XP系列的CPU作為主控制單元,配有6個A/D、D/A輸入輸出擴(kuò)展模塊,主要完成現(xiàn)場信號的采集、工程單位變換、回路控制和連鎖控制算法、控制信號輸出等功能;操作界面采用西門子的SIMATIC TPl70B觸摸面板作為人機(jī)界面,主要完成工藝參數(shù)的顯示、控制參數(shù)的設(shè)置、控制操作、歷史數(shù)據(jù)的記錄等。


    1.3 軟件組態(tài)
    1.3.1 網(wǎng)絡(luò)通訊
    在工程網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中,主控制單元作為上位機(jī),4臺變頻器作為下位機(jī),分別設(shè)置不同的站地址,使得PLC和變頻器之間建立上、下位機(jī)關(guān)系。由于 S7-200的XP系列CPU內(nèi)置2個RS485通訊口,因此可以將一組通訊口Port 0與觸摸面板進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)(PPI)通訊,另一組通訊口 Port 1作為自由口與變頻器進(jìn)行數(shù)字通訊,即從觸摸面板輸入工藝參數(shù),由TPl70B經(jīng)過Port 0口傳遞給PLC,PLC經(jīng)過數(shù)據(jù)運(yùn)算處理通過 Port 1口將數(shù)據(jù)發(fā)送給各個變頻器來控制各電機(jī)轉(zhuǎn)速,在從變頻器、溫度變送器等采集有關(guān)數(shù)據(jù),通過計(jì)算傳給TPl70B進(jìn)行顯示。整個過程采用每隔 100ms發(fā)送XMT一次,接受采用接受中斷方式。在發(fā)送XMT數(shù)據(jù)前關(guān)閉所有接受中斷,發(fā)送后再通過發(fā)送中斷程序打開接受中斷程序,并關(guān)閉發(fā)送中斷程序。

    1.3.2 程序設(shè)計(jì)
    該糊口機(jī)控制系統(tǒng)的程序采用模塊化設(shè)計(jì),分為主程序、子程序和中斷程序三大部分。主程序主要負(fù)責(zé)根據(jù)不同的條件狀態(tài)調(diào)用相應(yīng)的子程序、根據(jù)邏輯位調(diào)用中斷程序等功能;可以將在多個地方使用的程序段通過子程序模塊化,比如采樣子程序、超限報警子程序、PID控制于程序等,在具體使用的地方只需調(diào)用這些子程序,賦予具體的數(shù)據(jù)參量和存儲地址,這樣可大大提高代碼的使用效率,并減少了代碼的維護(hù)工作量;中斷程序主要包含PLC和變頻器通訊算法,同步調(diào)速控制算法,主要完成印刷切斷部和成型部傳動電機(jī)的同步運(yùn)行的功能。

    1.3.3 同步控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
    由于該生產(chǎn)線中印刷切斷工段和后面的成型工段分別由兩個電機(jī)拖動,各臺電機(jī)分別由變頻器調(diào)速驅(qū)動,構(gòu)成多單元同步傳動系統(tǒng)。將成型工段的主電機(jī)作為主令單元,印刷切斷工段的主電機(jī)作為協(xié)從單元。工作時,需要多大的運(yùn)行速度,由主令單元決定和調(diào)整,生產(chǎn)過程中要求協(xié)從單元協(xié)調(diào)同步,使切斷的編織布在兩個工段中保持恒定的線速度。操作員調(diào)節(jié)主令單元速度時,也要協(xié)從單元能同時調(diào)整速度,滿足整機(jī)速度的同步調(diào)整。為此,我們采用2個增量式旋轉(zhuǎn)編碼器分別檢測切刀轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向處傳動軸的轉(zhuǎn)速,將編碼器發(fā)出的脈沖送至PLC的高速脈沖計(jì)數(shù)輸入單元I0.0和I0.1,利用高速計(jì)數(shù)器對編碼器脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),在給定的采樣時間中,PLC將采集到的各單元實(shí)時轉(zhuǎn)速與設(shè)定運(yùn)行參數(shù)綜合,按既定的同步控制策略進(jìn)行運(yùn)算和控制,得到各單元電機(jī)的運(yùn)行速度設(shè)定值,再通過 PLC內(nèi)置的RS485接口與變頻器上的MODBUS現(xiàn)場總線通信接口卡之間的現(xiàn)場總線傳輸給變頻器執(zhí)行。

    在控制策略上,采用智能補(bǔ)償和傳統(tǒng)PID結(jié)合的控制方法。PID調(diào)節(jié)器具有本質(zhì)的魯棒性、符合二次型最優(yōu)控制選型原則、具有智能化的專家特色。同時,為了保證編碼器傳輸給PLC的高速脈沖個數(shù)準(zhǔn)確,確保高速脈沖的個數(shù)在允許的誤差范圍內(nèi),使用編碼器的零位脈沖信號對其作周期性檢測,同時可以通過編程軟件對CPU的脈沖輸入端口設(shè)置脈沖的捕捉功能,輸入端的狀態(tài)變化被鎖存并一直保持到下一個掃描循環(huán)刷新,這樣可以防止脈沖信號丟失。
    
    在主令單元和協(xié)從單元間采用同一給定電壓方式的基礎(chǔ)上,比較兩者的轉(zhuǎn)速,其差值經(jīng)補(bǔ)償器加到協(xié)從單元的控制輸入端。電機(jī)間的速度協(xié)調(diào)關(guān)系有同步系數(shù)決定。

    其中,VF為變頻器,ED為編碼器,CP為補(bǔ)償器,M為電機(jī)。設(shè)同步速度允許工作帶寬為△ng,在k時刻雙驅(qū)動電機(jī)的實(shí)際反饋轉(zhuǎn)速分別為 n1(k)、n2(k),不同電機(jī)要求的工藝速度比值為Kn=N1/N2(N1、N2分別為兩電機(jī)速度給定值)兩機(jī)異步停車報警的最大速度為△nmax,則當(dāng):

    ,系統(tǒng)同步正常,不進(jìn)行同步補(bǔ)償調(diào)節(jié)。

    ,系統(tǒng)嚴(yán)重不同步,停車報警。

    ,計(jì)算同步補(bǔ)償量cp,進(jìn)行同步補(bǔ)償控制。
由于該系統(tǒng)是定值速度系統(tǒng),因此Kn=1,其兩臺電要同步補(bǔ)償量為:

    式中,cp為從動電機(jī)的同步速度補(bǔ)償控制輸出,α(k)、b(k)、k為從動電機(jī)補(bǔ)償計(jì)算量,其中k由現(xiàn)場工藝決定:

    從動電機(jī)單閉環(huán)速度調(diào)節(jié)器控制輸出ud(k)采用增量式PID控制規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)。對于某一時刻t,PLC通過增量式編碼器脈沖定時計(jì)數(shù)得到電機(jī)的反饋轉(zhuǎn)速n1,n2,定義同步偏差為e=n1-n2。

    其中,最后可得到同步控制器的輸出從人機(jī)界面的速度歷史曲線上可以得到應(yīng)用PID補(bǔ)償器前后的從動電機(jī)速度響應(yīng)曲線。

    加入PID補(bǔ)償控制器后,起動過程跟隨效果較好,消除了超調(diào),而且上升時間明顯縮短,加擾動或急停時仍能保持很好的同步性。

    2 結(jié)論
    該控制系統(tǒng)在長春益成包裝廠投入運(yùn)行半年多以來,整套系統(tǒng)一直運(yùn)行正常,同步電機(jī)起動過程中跟隨性能和穩(wěn)定性能均有明顯的改善,提高了生產(chǎn)線的運(yùn)行速度和生產(chǎn)效率,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益,在塑編包裝機(jī)械行業(yè)具有較好的推廣價值。

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