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基于Profibus DP總線的五層瓦楞紙板生產(chǎn)線傳動控制系統(tǒng)

時間:2009-05-04 13:59:17來源:ronggang

導語:?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
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]. MITSUBISHI Co. Ltd.   [6]馬國華.監(jiān)控組態(tài)軟件及其應用.北京:清華大學出版社,2001.9

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