西門子S7-1200的設(shè)計(jì)與應(yīng)用第2講 造紙生產(chǎn)線的速度自動(dòng)控制

浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李方園

1 造紙生產(chǎn)線概述

圖1所示為造紙生產(chǎn)線，其自動(dòng)化控制突出地表現(xiàn)在紙機(jī)的傳動(dòng)控制方面。因?yàn)榧埛N變化，紙機(jī)的速比變化較大，漿料配比、不同紙張?zhí)匦缘龋辜垯C(jī)車速需要有較大范圍的調(diào)整；同時(shí)電網(wǎng)電壓、頻率和負(fù)荷的波動(dòng)，也會(huì)引起紙機(jī)車速的變化，烘干部各段不同的加熱溫度，都會(huì)使紙頁產(chǎn)生縱向的收縮，因此，要求紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)穩(wěn)定、精確、同步、協(xié)調(diào)的變速傳動(dòng)系統(tǒng)。由于紙機(jī)傳動(dòng)控制目前幾乎毫無例外地采用多點(diǎn)分部傳動(dòng)的形式，客觀上對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)提出了快速、精確、穩(wěn)定和可靠等較高的要求；又因紙機(jī)傳動(dòng)在生產(chǎn)中的特殊重要地位，紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制的一般配置由PLC控制單元、變頻器單元等組成。

圖1 造紙生產(chǎn)線現(xiàn)場

由于造紙生產(chǎn)線的產(chǎn)品細(xì)薄、脆弱，為了防止紙張出現(xiàn)斷裂、卷曲、褶皺、壓痕，必須對(duì)各傳動(dòng)部分進(jìn)行高精度的速度控制，以達(dá)到高質(zhì)量的延展特性。造紙機(jī)各個(gè)部分之間必須采用拉力控制，以使造紙的生產(chǎn)線對(duì)應(yīng)于脫水及干燥度等工藝參數(shù)所決定的伸縮性，從而保證了紙張按成紙方向所限定的伸展率進(jìn)行延展。也就是說，從上漿到上卷的整個(gè)過程，要保持紙幅一定的速度級(jí)聯(lián)（這樣才有拉力）。比如網(wǎng)部傳動(dòng)設(shè)定速度保持在100M/min，那么壓榨部的速度保持在104M/min、前干燥為108M/min、后壓榨110M/min、后干燥112M/min、壓光機(jī)115M/min、卷紙機(jī)116M/min，為描述上的方便和控制的精度，這里引入速差分步控制的概念。

如傳動(dòng)M1的速度為V1，傳動(dòng)M2的速度為V2，M2的速差為D2，則三者的關(guān)系為：

V2＝V1 × (1+D2%)

依次類推，每個(gè)傳動(dòng)對(duì)應(yīng)于前面一個(gè)傳動(dòng)都有一個(gè)速差值。因此對(duì)于各傳動(dòng)點(diǎn)的設(shè)定只要求第一傳動(dòng)點(diǎn)的速度值（這里稱為基速）和從第二傳動(dòng)點(diǎn)以后各傳動(dòng)點(diǎn)的速差值，就可由此計(jì)算出每一個(gè)傳動(dòng)的速度設(shè)定值，從而形成速度鏈。

2 造紙生產(chǎn)線的控制要求

某生產(chǎn)瓦楞原紙、掛面牛皮紙、箱板紙等的造紙生產(chǎn)線傳動(dòng)部的PLC控制示意如圖2所示，其中PLC負(fù)責(zé)變頻器的速度設(shè)定和速度反饋部分。傳動(dòng)部采用交流變頻分部傳動(dòng)形式，分別由真空回頭輥、壓榨主傳動(dòng)、烘干傳動(dòng)、光澤缸、壓光及卷紙等6個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)組成，共計(jì)363kw，每一臺(tái)交流變頻專用電機(jī)通過硬齒面齒輪減速箱直接傳動(dòng)各主動(dòng)輥或主動(dòng)齒輪。該生產(chǎn)線設(shè)計(jì)車速為150m/min。

圖2 某造紙生產(chǎn)線傳動(dòng)部的PLC控制示意

控制要求如下：

（1）以VF2為總車速的設(shè)定點(diǎn)，其他各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行同步跟隨，其主要提升、下降要平穩(wěn)。

（2）每一個(gè)傳動(dòng)根據(jù)預(yù)先設(shè)置的速差，速差控制范圍在正負(fù)2%以內(nèi)。

（3）VF2的總車速設(shè)置六個(gè)主要的速度段，通過萬能開關(guān)進(jìn)行選擇，分別為25m/min、50 m/min、75m/min、100m/min、125m/min、150m/min，加速度為15m/min。

（4）每個(gè)傳動(dòng)都設(shè)置了加速和減速按鈕，其中VF2主傳動(dòng)為±25m/min之內(nèi)，每次按鈕的動(dòng)作為1m/min單位變化，VF1、VF3等其余5個(gè)傳動(dòng)為改變速差，變化單位為0.01%單位變化，不能超出上下限。

3 S7-1200 PLC的硬件配置

根據(jù)控制要求，可以進(jìn)行如圖3所示的硬件配置，它共包括CP1214C DC/DC/DC、SM1234 4*AI/2*AQ、SM1222 8DI/8DO 24VDC、SM1232 2*AQ兩塊。

圖3 設(shè)備配置

這里給出了S7-1200 PLC具有模擬量輸入輸出的混合模塊SM1234 AI4*13位/AQ2*14位，其具體接線如圖4所示。

圖4 模擬量輸入輸出混合模塊的電氣接線

4 S7-1200的變量分配與軟件編程

（1）變量分配

根據(jù)要求可以定義如表1所示的變量表。具體說明如下：

① 模塊1為CPU，包括主速度設(shè)定開關(guān)、VF2和VF6調(diào)整速度信號(hào)、VF5和VF6的頻率反饋輸入；

② 模塊2為模擬量混合模塊，包括4個(gè)模擬量輸入為VF1和VF4的頻率反饋輸入，以及VF1和VF2的模擬量輸出；

③ 模塊3為數(shù)字量混合模塊，包括VF1、VF3、VF4、VF5的速差信號(hào)；

④ 模塊4和模塊5為模擬量輸出，為VF3、VF4、VF5、VF6的模擬量輸出。

表1 變量定義

（2）梯形圖編程

本案例的程序主要分為兩部分，一為上電初始化程序，一為主程序。在S7-1200中上電初始化塊的添加如圖5所示，而OB100上電初始化的具體編程，主要設(shè)置主傳動(dòng)的檔位值為0、主傳動(dòng)的調(diào)整值為0、設(shè)老的主速度輸出值為0。

圖5 添加上電初始化塊OB100

主程序OB1塊的梯形圖（略）。

5 結(jié)束語

PLC 的擴(kuò)展模塊是分輸出模塊和輸入模塊的，在PLC主機(jī)的輸入或輸出點(diǎn)不夠用的情況下就要用到擴(kuò)展模塊，主要是擴(kuò)展PLC的輸出或輸入點(diǎn)數(shù)的，還有比如在外圍設(shè)備反饋電壓高于PLC的反饋電壓時(shí)就要用到繼電器。另外有的I/O信號(hào)采用中繼隔離，是為了避免損壞PLC的I/O端口。本案例中，通過選用合理的I/O模塊，完成了造紙機(jī)的復(fù)雜速度控制。

[1] 李方園. 圖解西門子S7-1200 PLC入門到實(shí)踐[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2] 李方園. 自動(dòng)化綜合實(shí)踐[M].北京：中國電力出版社，2009

[3] 李方園. PLC控制技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010