基于PLC的同步控制系統(tǒng)在紙袋糊口機中的應(yīng)用

摘 要：根據(jù)塑編行業(yè)生產(chǎn)線的特點，提出了基于PID和補償原理的多電機同步控制方案，本文詳細描述了高性能西門子S7-200 PLC多電機同步控制系統(tǒng)在糊口機中的應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，本控制系統(tǒng)具有控制精度高、運行穩(wěn)定可靠、投資成本低等特點，能夠滿足高速糊口機生產(chǎn)線的控制要求。

關(guān)鍵詞：糊口機;PLC;同步控制

　　隨著近年來工業(yè)的發(fā)展，以及對于生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量要求的逐漸提高，分別對每臺電機進行單獨控制在某些場合已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)工藝的要求，而需要同時對多臺電機進行控制，讓其更好地協(xié)調(diào)運行，因此多電機同步傳動控制應(yīng)運而生。本文以紙袋糊口機生產(chǎn)線控制系統(tǒng)為背景，介紹基于PLC的同步控制系統(tǒng)在紙袋糊口機中的應(yīng)用。

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責(zé)將編織布卷（PP、PE）進行塑編布的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)定的袋長進行切割，配置1個現(xiàn)場操作臺、一個變頻器擴展柜（配有2個變頻器）;成型工段主要負責(zé)轉(zhuǎn)向、施膠、打開、糊口、糊底等，一個現(xiàn)場操作臺、一個繼電器擴展柜、一個變頻器擴展柜（配有2個變頻器）完成控制。

2 硬件構(gòu)成

　　該項目采用西門子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 TP170B觸摸面板作為人機界面，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。

3 軟件組態(tài)

　　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，4臺變頻器作為下位機，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與觸摸面板進行點對點（PPI）通訊，另一組通訊口Port 1作為自由口與變頻器進行數(shù)字通訊，即從觸摸面板輸入工藝參數(shù)，由TP170B經(jīng)過Port 0口傳遞給PLC，PLC經(jīng)過數(shù)據(jù)運算處理通過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)，通過計算傳給TP170B進行顯示。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 同步控制系統(tǒng)實現(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拖動，各臺電機分別由變頻器調(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作為主令單元，印刷切斷工段的主電機作為協(xié)從單元。工作時，需要多大的運行速度，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的高速脈沖計數(shù)輸入單元I0.0和I0.1，利用高速計數(shù)器對編碼器脈沖進行計數(shù)，在給定的采樣時間中，PLC將采集到的各單元實時轉(zhuǎn)速與設(shè)定運行參數(shù)綜合，按既定的同步控制策略進行運算和控制，得到各單元電機的運行速度設(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[2]。

　　在控制策略上，采用智能補償和傳統(tǒng)PID結(jié)合的控制方法[3]。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)補償器加到協(xié)從單元的控制輸入端[4][5]。電機間的速度協(xié)調(diào)關(guān)系有同步系數(shù) α決定，其控制原理如圖1所示。

　　其中，VF為變頻器，ED為編碼器，CP為補償器，M為電機[6]。設(shè)同步速度允許工作帶寬為△n_g，在 時刻雙驅(qū)動電機的實際反饋轉(zhuǎn)速分別為n₁（k）、 n₂（k），不同電機要求的工藝速度比值為Kn=N1/N2，（N1、N2分別為兩電機速度給定值），兩電機異步停車報警的最大速度為△n_max，則當△

　　從人機界面的速度歷史曲線上可以得到應(yīng)用PID補償器前后的從動電機速度響應(yīng)曲線如圖2、圖3所示。

　　由圖2和圖3可見，加入PID補償控制器后，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。

　　3.3 程序設(shè)計

　　該糊口機控制系統(tǒng)的程序采用模塊化設(shè)計，分為主程序、子程序和中斷程序三大部分。主程序主要負責(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控制子程序等，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的同步運行的功能。同步控制算法如圖4所示。

4 結(jié)論

　　該控制系統(tǒng)在長春益成包裝廠投入運行半年多以來，整套系統(tǒng)一直運行正常，同步電機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)線的運行速度和生產(chǎn)效率，取得了良好的經(jīng)濟效益，在塑編包裝機械行業(yè)具有較好的推廣價值。