摘 要：本文介紹了一條基于Profibus DP總線的五層瓦楞紙板生產(chǎn)線傳動控制系統(tǒng)。以上位機、PLC和多傳動驅(qū)動器構成三級控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了速度鏈結構、壓力閉環(huán)控制、張力控制及相關輔助連鎖控制等控制要求，保證了生產(chǎn)線穩(wěn)定可靠的運行。 關鍵詞：Profibus DP; plc;速度鏈;負荷分配 一、引言 　　近年來我國經(jīng)濟一直保持高速增長的態(tài)勢，沱牌集團酒類產(chǎn)品、食品、飲料產(chǎn)量在內(nèi)需和出口的迅猛發(fā)展下，促使與其相關的包裝需求也有很快的發(fā)展、瓦楞紙板箱在其包裝領域里占相當大的比重，所以沱牌集團2007年的重點技術改造項目中提出對其原來的生產(chǎn)線進行技術改造，提高生產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量和效率，要實現(xiàn)管理—控制一體化 ，能根據(jù)酒類產(chǎn)品、食品、飲料產(chǎn)量來控制包裝紙箱的生產(chǎn)。 　　瓦楞紙板生產(chǎn)線就是由卷筒原紙經(jīng)過壓制瓦楞、上膠、粘合定型、分紙壓線、橫切成規(guī)格紙板， 最后經(jīng)堆碼輸出等工序組成的流水作業(yè)線，簡稱瓦楞板板生產(chǎn)線。生產(chǎn)線構成見圖1[1] [align=center] 圖1五層瓦楞紙板生產(chǎn)線 Fig.1.The five corrugated cardboard production lines[/align] 　　該生產(chǎn)線原來使用集中拖動，各級傳動由機械變速箱和離合器來完成，控制精度差，工人操作難度大，產(chǎn)品調(diào)整要停機來從新設置變比，效率低下[2]。決定使用采用以可編程控制器PLC和變頻器為基礎的集散控制系統(tǒng)，將PLC作為現(xiàn)場采集控制站，profibus dp 進行數(shù)據(jù)通信，同時還可以利用Ethernet構成上位管理級，以實現(xiàn)管控一體化[3]。 二、控制系統(tǒng)構成 　　紙板生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的結構圖如下圖2所示： [align=center] 圖2 紙板生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的結構圖 Fig.2. The structure of control system of cardboard production lines[/align] 　　系統(tǒng)為三級控制方式。 　　傳動系統(tǒng)第一級為變頻器控制級，變頻器采用三菱公司FR-A540系列多傳動控制器，配有閉環(huán)控制編碼器反饋板，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器上還配有Profibus DP通信模塊（FR-A5NP） 完成速度同步功能。同時可通過人機介面設定有關速度微調(diào)參數(shù)，再由主站CPU通過網(wǎng)絡模塊與變頻器系統(tǒng)通訊及設定，與PLC組成PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡進行實時高速通訊。 　　傳動系統(tǒng)第二級為PLC控制系統(tǒng)，PLC采用西門子公司大型S7-400 CPU為414-2DP，執(zhí)行輸入及輸出邏輯的處理，將同步數(shù)據(jù)運算，相關的信息通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡傳輸?shù)礁髡?。PROFIBUS-DP主站設在中控室，該PLC負責通過PROFIBUS-DP采集各種信息，并在模擬屏上實時顯示整個車間運行狀況，一旦發(fā)生異常隨即報警，以提醒操作員在第一時間作出相應調(diào)整S7-400與變頻器、OP270操作屏以及S7-200輔助PLC組成PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡，完成整個生產(chǎn)線操作控制[4][5] 　　傳動系統(tǒng)第三級為上位優(yōu)化控制系統(tǒng)，采用DELL公司工業(yè)控制計算機,用于整個紙機傳動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控。上位機采用西門子組態(tài)軟件WINCC，可以通過工業(yè)以太網(wǎng)與QCS上位機、DCS上位機、車間管理級、廠級管理級等聯(lián)網(wǎng)控制，實現(xiàn)紙機傳動控制系統(tǒng)優(yōu)化控制和自動控制[6]。 三、控制系統(tǒng)完成的功能 　　在紙板生產(chǎn)線傳動控制系統(tǒng)中，根據(jù)工藝要求需要實現(xiàn)以下幾個主要的控制。 　　1.速度鏈控制 　　速度鏈結構采用二叉樹數(shù)據(jù)結構算法，先對各傳動點進行數(shù)學抽象，確定速度鏈中各傳動點的編號，此編號應與傳動單元（本系統(tǒng)為逆變器）中設定的地址一致。即任一傳動點由三個數(shù)據(jù)（“父子兄”或“父子弟”）確定其在速度鏈中的位置，填入位置寄存器相應的數(shù)值，從而構成整個速度鏈結構。 [align=center] 圖3 速度鏈控制系統(tǒng)結構 Fig.2.The structure.of control system.of speed chain[/align] 　　如圖3所示我們把紙板生產(chǎn)線的膠合部分作為速度鏈中的主節(jié)點，即它的給定速度就決定整個紙板生產(chǎn)線的工作車速，調(diào)節(jié)其給定速度就調(diào)節(jié)了整個紙板生產(chǎn)線紙機車速。在PLC內(nèi)，我們檢測到車速調(diào)節(jié)信號則改變車速單元值，1點處的速度就為第一臺變頻器的運行速度設定值，將其送第一臺變頻器執(zhí)行，并送給第二臺計算。第一分部的速度值乘以第二分部的變比b1/a則為第二臺變頻器的給定值。若第二分部速度不滿足運行要求，說明第二分部變比不合適，可通過操作第二分部的加速、減速按鈕實現(xiàn)，PLC檢測到按鈕信號后調(diào)節(jié)b1即調(diào)整了變比，使其適應生產(chǎn)要求。相當于在PLC內(nèi)部有一個高精度的齒輪變速箱，可以任意無級調(diào)速。若正常生產(chǎn)中變比合適，某種原因需要用緊紙、松紙時，按下該分部緊紙、松紙按鈕，PLC將對應在速度鏈上附加一正或負的偏移量則實現(xiàn)緊紙、松紙功能。圖中2點就包含了調(diào)速和緊紙、松紙等操作指令的速度值，將它送給第二臺變頻器執(zhí)行，同時送下一級計算。依此類推，構成速度鏈控制系統(tǒng)。速度鏈的分支設計采用父子算法，可以構成任意分支的速度鏈結構。 　　本速度鏈的設計不僅只是為實現(xiàn)紙板生產(chǎn)線傳動控制要求，而且為后續(xù)的計算機優(yōu)化控制提供了可能。在PLC內(nèi)部有非常精確的傳動變比，我們設計為精度為0.001%，通過設定參數(shù)可以做到更高。這樣有精確的傳動變比上位計算機可以精確地記憶紙板生產(chǎn)線傳動過程參數(shù)，當需要更換品種或車速時，上位計算機可以準確地將紙板生產(chǎn)線運行參數(shù)傳入到PLC，由PLC執(zhí)行，將紙板生產(chǎn)線調(diào)整到當前工作狀態(tài)。 　　2.負荷分配控制 　　在紙機傳動控制過程中經(jīng)常遇到由幾臺電機同時拖動同一負載的情況。例如膠合部兩輥膠合，上下傳動輥都有自己的傳動電機，通過加壓同步運行。所以類似這樣的傳動只有電動機速度同步并不能滿足實際系統(tǒng)的工作要求，實際系統(tǒng)還要求各傳動點電機負載率相同，否則會造成一個傳動點由于過載而過流，另一傳動點則由于被拖動而過壓，由此可能造成傳動單元報警甚至停機，影響生產(chǎn)。因此這兩個傳動點之間需要進行負荷分配控制。 　　負荷分配原理：在多電機傳動過程中要求各傳動點電機負載率相同，即δ=Pi/Pie相同（Pi為i電機所承擔負載功率，Pie為電機額定功率）。而且在負荷分配調(diào)節(jié)過程中不能影響其它各分部的速度。所以我們采用速度鏈主鏈與子鏈相結合的設計方法。 　　本系統(tǒng)中共有11組負荷分配傳動點。包括網(wǎng)部4組，壓榨部3組，烘缸部3組以及施膠部1組。PLC采集負荷分配點的運行轉(zhuǎn)矩，求出每組總的負載轉(zhuǎn)矩，根據(jù)總負荷轉(zhuǎn)矩計算負載均衡時的期望轉(zhuǎn)矩值，如下式： 　　其中：T是均衡時的期望轉(zhuǎn)矩值;Pie是負荷分配各點的額定功率; Ti是各點的實際轉(zhuǎn)矩。 　　主控PLC由DP總線通過通訊取得各點的實際轉(zhuǎn)矩，通過上式計算出負荷均衡時的期望轉(zhuǎn)矩作為給定值，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動單元的輸出，使各點的實際轉(zhuǎn)矩值趨向一致。在實際設計中，使負荷分配傳動點處于速度鏈的支鏈上，則當調(diào)節(jié)該點負荷時，不會影響其他傳動點;同時還要考慮到調(diào)節(jié)負荷分配各點的輸出時設置輸出限幅，以免速差過大造成設備損害。 　　3.氣壓壓力閉環(huán)控制 　　在原生產(chǎn)線中，瓦楞加壓及熱合部主臂加壓大多采用手動閥操作的開環(huán)控制，壓力調(diào)節(jié)精度較差，壓力不易保持穩(wěn)定。在本系統(tǒng)中采用壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，不但使得壓力調(diào)節(jié)精度提高，而且壓力穩(wěn)定，從而對生產(chǎn)線的正常生產(chǎn)提供了保證。 　　設計中要得到較高的控制質(zhì)量，首先要對壓力值進行校準。由于壓力傳感器本身的非線性，因此可采用分段線性化對壓力值進行校準，即使得現(xiàn)場壓力表的顯示值和觸摸屏上的顯示值達到一致。一般而言，可以把校準范圍分為三段，因為壓力傳感器兩側線性較差，而在中間段線性較好。 　　對壓力值進行校準之后，通過PID控制算法實施壓力閉環(huán)控制，適當整定PID參數(shù)即可達到壓力的穩(wěn)定輸出控制。實際設計中，壓力的實際值通過加壓部S7-200輔助PLC采集后濾波處理并進行閉環(huán)控制程序設計，并將相應的數(shù)據(jù)通過PROFIBUS-DP總線送入主控PLC中，再通過觸摸屏的模擬屏進行顯示及參數(shù)設置。 　　另外，還要考慮到壓差自動抬輥，手動/自動切換，預壓/加壓控制等控制環(huán)節(jié)。 　　4 .張力控制 　　該系統(tǒng)主要用于瓦楞紙板生產(chǎn)線。能對瓦線生產(chǎn)中的原紙張力進行自動檢測和適時控制，從而消除在瓦楞紙板生產(chǎn)過程中因原紙張力變化而產(chǎn)生的斷紙現(xiàn)象，大大提高了生產(chǎn)效率和原材料的利用率，除低生產(chǎn)成本。根據(jù)生產(chǎn)線工藝要求，橫切機前加入張力傳感器。張力傳感器將張力信號送入PLC，在操作臺上的操作屏上進行張力設定，PLC根據(jù)張力設定值和張力傳感器的反饋值進行調(diào)節(jié)。保持張力恒定準確。并在操作臺的操作屏上顯示實際張力。 　　張力傳感器檢測紙板的張力信號送入PLC內(nèi)，根據(jù)在操作屏上的張力設定進行計算，調(diào)節(jié)其后傳動輥的輸出轉(zhuǎn)矩，維持紙頁張力恒定，實現(xiàn)張力閉環(huán)控制。在張力傳感器前加有斷紙檢測，出現(xiàn)斷紙，可以自動退出張力控制模式，自動轉(zhuǎn)為速度控制模式。待紙頁重新引上后，斷紙信號消失，自動轉(zhuǎn)換為張力控制模式。 　　PLC內(nèi)采用PID控制算法，并帶有速度限幅，防止斷紙時出現(xiàn)飛車現(xiàn)象。PLC對張力傳感器信號進行分析，可以及時報警并有效預防張力傳感器故障對生產(chǎn)的影響。 　　張力控制可以通過操作屏選擇投入/退出功能。 　　5.自動換卷控制 　　要實現(xiàn)自動換卷功能，必須紙板生產(chǎn)線的機械、液壓、氣動及電氣等各項指標都達到較高的控制精度和可靠性，否則可能造成設備及人員損傷。因此在無軸原紙支架的相關部位共裝有23個接近開關，用來檢測無軸原紙換卷過程中各部位動作到位情況。 　　在設計中采用“手動/半自動/全自動”三種控制模式?！笆謩印蹦Ｊ较?，純粹以手動操作;“半自動” 模式下，整個換卷過程分為連續(xù)的幾個階段，每完成一個階段，系統(tǒng)檢測當前各部分是否到位，并給出提示信號，如果正常則可繼續(xù)進行下一階段，否則系統(tǒng)報警提示，并停止動作以便操作人員處理。“全自動”模式時，正常情況下系統(tǒng)完全自動運行，一旦檢測到某部分運行不到位，則立即停止動作并給出聲光報警提示，由操作人員進行處理。 　　設計中接近開關的檢測信號送入支架部S7-200輔助PLC中，并通過PROFIBUS-DP總線送入主控PLC進行處理，在操作屏上顯示檢測信號狀態(tài)及提示信息等，配合操作人員及時掌握自動換卷運行狀態(tài)。整個自動換卷程序在輔助PLC中運行。 四 總結 　　該系統(tǒng)自從2007年8月開始投入運行，經(jīng)過一段時間的機械磨合期，操作人員熟練之后，系統(tǒng)的調(diào)速精度、動態(tài)響應、調(diào)節(jié)效果、系統(tǒng)穩(wěn)定性等各方面指標均達到設計要求，滿足生產(chǎn)的需要 五、本文創(chuàng)新點 　　在紙箱生產(chǎn)線傳動系統(tǒng)中應用PROFIBUS-DP，利用其在工業(yè)現(xiàn)場的可靠性，靈活性以及方便易用性，特別是PROFIBUS-DP總線其高速通訊性能，靈活的配置組態(tài)，方便地構成以上位機、PLC和多傳動驅(qū)動器構成三級控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了速度鏈結構、壓力閉環(huán)控制、張力控制及相關輔助連鎖控制等控制要求，保證了生產(chǎn)線穩(wěn)定可靠的運行，經(jīng)現(xiàn)場運行實驗效果良好。 參考文獻 　　[1] 洪亮.瓦楞紙箱工藝 [J].包裝工程，2007，2：282-285 　　[2] 李飛.瓦線的合理利用與技術改造問題 [J].全球瓦楞工業(yè)，2007，5：75-77 　　[3] 孫平.可編程控制器原理及應用.北京:高等教育出版社,2003.1 　　[4] 戎罡，覃強. 開放式現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP應用簡介[J]. 國外機電一體化技術, 2001, 20（5）: 54～59 　　[5] FR-A5NP Control & Communication Link System Master/Local Module[M]. 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