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。