纸板造纸机PLC控制系统
1 引言
目前，我国造纸行业的控制系统主要采用集散控制系统(dcs)，控制器和现场设备之间靠大量的i/o电缆连接，不仅增加成本，而且降低了系统的可靠性。
控制系统传送4～20ma信号，并以此监控现场设备，这样，由于控制器获得的信息量有限，现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能比较弱；另一方面也很难完成现场设备的动态监控、远程参数设定、修改等功能，造成造纸控制系统的信息集成能力不强和可维护性较差，影响工厂的生产效率，并给生产管理带来诸多不便。
随着计算机网络技术的发展，串行现场总线通信技术已深入到自动控制的各个领域。应用这项技术可以将可编程序控制器、交直流驱动器、监控计算机、远程i/o及智能传感器等连接起来，实现分布式计算机控制，可提高检测和控制的精度，改善系统的动态响应速度，提高系统的安全性，因而建立基于现场总线的纸机控制系统成为解决这一问题的有效途径。
profibus过程现场总线是一种全数字化的、串行、双向传输、多分支结构的通信网络，用于工厂/车间仪表和控制设备的局域网。profibus-dp是profibus过程现场总线协议的工厂自动化控制子集。因此其在纸机控制系统中的应用，将大大减少布线工作量与电缆投资，避免信号干扰，使系统更可靠，操作更简便，监控更直观。正是基于上述原因，山东中茂圣源纸浆有限公司纸板纸机项目工程中采用了profibus-dp现产总线技术，实现了该机组的通信及分布式控制，取得了良好的效果。
2 纸板造纸工艺分析
图1所示的纸板造纸机示意图中，可以看到该纸机是一种由多台设备组成的联动机。湿部包括浆料流送设备、网部和压榨部；干部包括干燥部、切纸机和理纸机。具有适合抄纸性能的浆料进入造纸机的浆料流送设备，经浆流分布器和流浆箱的分布和匀整以后，均匀而稳定的流送到运动着的成形网的网面上。浆流在网部逐渐地过滤、脱水，形成连续的湿的纸幅。当湿纸幅脱水到一定干度，便可以从网面剥离，送至压榨部继续脱水。压榨部是由若干组辊式压榨组成。湿纸幅是由压榨毛毯支托着，在压辊间用机械挤压的方法脱水。为了保持压榨毛毯的良好脱水性能，压榨辊上配设有毛毯洗涤装置。经压榨部后，湿纸幅的干度一般可达40%左右。然后湿纸幅经气垫式烘干箱进一步脱水。干燥后的纸板经牵引辊进入切纸机，经纵切刀由送纸辊进入横切部分，横切甩刀将纸幅切断送出。切断的纸经输送辊、高速输送带、低速输送带、压纸带送往理纸机。最后打包称重，整个工序完成。
图1 纸板纸机示意图
2.1 稳速的要求
造纸机由纸浆到形成纸张，需经过多个分部，因此是一个多单元的速度协调系统，各个分部间的速度要求严格配合，根据工艺流程，一般有以下关系：只要其中一个分部速度不稳，就会无法维持生产，纸幅不是断裂，就是松垮下来。如果整台纸机车速不稳，就不能保证纸张的定量(每平方米纸页的重量)不变。因此要求纸机的各分部都能稳速。但是，在实际运行中，有许多干扰因素破坏速度的稳定，例如电网电压的波动、频率的变化、负载的波动、温度的变化等等，对电气传动自动化控制的要求是克服这些干扰的影响，保证车速的稳定。
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2.2 平稳起动的要求纸机中有的分部要求平稳起动，例如网部起动太快就会损坏铜网；干燥部传动惯量比较大，起动太猛会把机械连轴扭断，因此要求整个系统能平稳起动，而且各分部要能单独起动和停止。
2.3 纸机速度链
由于各分部传送着生产过程中的纸张，根据造纸工艺的要求，各分部间要求达到线速度比例协调(相邻两个分部间的线速度比值应保持恒定)，高精度地、可靠地保持这个比例系数是保证产品质量、生产正常运行的重要条件，任何原因破坏这种比例协调，就会降低产品质量。同时，纸机的这种速度比例协调关系应在该变车速或停机后重新开机时继续保持，而不需重新调节。其次，这种比例协调应具有微调功能，以调节相邻两分部间的速差，避免纸张在传送过程中的松弛和绷紧现象，并且速度微调应该灵敏、可靠，不应在调过程中有明显的滞后现象。比例协调关系如下：
n1=k1(n0+δn0)
n2=k2(n1+δn1)
n3=k3(n2+δn2)
n4=k4(n3+δn3)
本系统中，采用profibus-dp过程现场总线结合plc程序来完成速度链的控制，避免了运算放大器的速度链给定环节的信号漂移，提高了稳定性。
3 工艺自动化系统设计
3.1 硬件构成
根据纸板纸机的工艺要求，该控制系统有profibus-dp构成单主从工作方式，如图2所示。主站选用siemens的s7-300 plc(cpu313c-2dp)，站地址设为2，实现总线通信控制和管理，完成周期性数据访问。网部、压榨部、干燥部和切纸机的各变频器(mm440)为从站，地址分别为3，4，5，6，7，8，9，10。现场触摸屏通过mpi口与plc相连，其地址设为1。上位机通过cp5611与主站plc连接，地址使用默认值0。理纸机部分的远程i/o(et200m)地址为11。主站plc与变频器及现场触摸屏实现高速数据通讯，完成整个纸机传动过程中的速度链、负荷分配、张力控制等功能。现场触摸屏实时显示各分布点的工作状态，监测各变频器的运行、故障状态，通过它可以对各传动点实现全部控制功能。plc实时的接受来自上位机和触摸屏的优化控制指令，自动调节各分部的速度以适应生产需求。同时plc将各分部的运行参数送往上位机，以便及时了解生产状况。整个系统采用profibus-dp现场总线控制技术，系统全部控制功能的实现都由现场总线通讯完成。只靠一条通讯电缆传输，省去了传统的线路接点。大大提高系统的可靠性，节约了控制电缆。同时实现了从操作到控制的全数字化，彻底杜绝了现场干扰对控制系统运行的影响。
3.2 软件设计
plc的编程使用s7系列的编程软件step7 v5.3，通过其对系统进行相应的网络配置，如通信端口的设置，站地址和数据传输速率的设定等；然后对主站s7-300进行硬件组态，通过配置，cpu313c-2dp可以各个变频器和et200m的i/o 分配地址，这样从编程角度来看，cpu313c-2dp队给从站的控制如同本机的i/o一样。
step7 v5.3软件采用模块化结构编程，整个控制程序由ob组织块、fc功能块、db数据块等构成。控制字是现场总线系统控制传动单元的基本手段。控制字由现场总线控制器(plc)发送给传动单元，传动单元根据控制字的位编码指示作出相应动作。状态字是一个包含了状态信息的字，它由传动单元发送给现场总线控制器(plc)。组织块ob是系统操作程序与用户应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的运行。不同的ob有不同的功能。本设计中组织块有ob1、ob20、ob35、ob82、ob86、ob87、ob100、ob121、ob122。
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ob1是用作主程序循环的，它用来设计主循环程序的结构；在用户程序延时中断ob20种调用了系统功能块sfc32(“srt_dint” 启动延时中断)、 sfc33(“can_dint” 取消延时中断)、sfc34(“qry_dint” 查询延时中断的状态)。ob35是程序循环中断组织块；ob82是诊断中断程序，诊断接受来自有诊断能力的模块；ob86是机架错误中断，ob87通讯错误中断；ob100属于启动组织块，是暖启动用的；ob121是程序错误组织块，ob122是访问错误组织块，属于故障处理组织块。ob1是主程序，主要完成系统的初始化、初始参数设定、调用子程序。fc是自定义的子程序块，包括网部控制、压榨部控制、干燥部控制、切纸机控制、理纸机控制、故障处理、数据采集与处理等功能块。数据块db用来存放用户程序运行所需的大量数据或变量，它也是实现各程序块之间交换、传递和共享数据的重要途径。在本系统中，上位机和下位机的通信主要是通过都区和改变下位机的db块来实现的。该系统共设计了8个db块，分别表示实际速度数据块、设定速度数据块、电流数据块、时钟背景数据块、报警数据块、实际温度数据块、设定温度数据块和纸板尺寸数据块。通过读取下位机的db块，上位机上显示相应的速度、纸板尺寸和报警等相应信息。通过触摸屏改变下位机相应的db块数据，就可以生产达到预期的目的。
图2 纸板纸机系统结构示意图
上位机采用visual c++进行画面显示设计，通过dll获得plc的实时数据，进行动画设计，数据管理，报表打印和故障记录和分析等。现场触摸屏通过siemens的hmi组态软件protool v6.0进行组态和编制画面。触摸屏画面是以设备图为底并分段细化。从触摸屏上可以轻松观察系统总图、各分部图，直至每个分布的传感器的状态。利用触摸屏提供的输入/输出、棒图、曲线图、字符、帮助信息、口令和画面切换等功能，可以观察和设定变频器的频率、转速及当前实际的频率和转速、纸机的运行状况等。
4 结束语
工程实践证明，本控制系统采用profibus-dp网络技术实现分布式控制，可以大大降低现场信号连接的工作量和费用，提高信号的传输精度与灵活性，降低系统成本，给安装、调试和设备维护带来方便。profibus-dp网络速度快、可靠性高、开放性好、抗干扰能力强，适用于各种工业控制系统，是pc、plc与其他智能现场设备通信的优选网络。
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