S7-300 PLC在KDF2纤维滤棒成型机组中的应用
KDF2纤维滤棒成型机组是烟厂生产卷烟滤棒的设备。经过十几年的应用，原有机组逐渐显示出技术上的局限性：机械结构复杂；电控系统相对落后；生产环境比较差，噪音响；维修难度高，能源利用率低等。因此，原有机组越来越不适应现代生产要求。
为此，笔者参照国际上先进的高速滤棒成型设备的设计原理，结合国内市场的需求和机组的特点，运用伺服传动系统的优良特性及PLC在工业控制中的优势，设计了此套控制系统。
1 系统概述
纤维滤棒成型机组控制和传动系统采用了Lenze公司的伺服系统、Digital公司的触摸式控制屏和西门子公司的PLC，分别通过MPI和DP通讯控制。
纤维滤棒成型机通过二次开松、增塑剂添加、卷制成形、刀盘切断和排列装盘的过程生产滤棒。
2 控制策略
(1) 对增塑剂添加的控制策略
起初延用原系统的欠阻尼响应曲线的控制方式。但是，在实际调试过程中，发现该控制方式存在一定的缺陷，具体表现为：每天第一次上电开机时，增塑剂存储器中增塑剂积累时间过长，造成一段时间内滤棒增塑剂含量过低。根据售后服务部门的反馈，某些烟厂为保证滤棒质量往往会剔除第一盒滤棒。这样会有较大的浪费。
产生这种情况是因为烟厂每天工作结束时或者CPU重启时机组都会停机，并排空存储器中的增塑剂。由于欠阻尼响应到达设定值时间过长，造成开始阶段滤棒增塑剂含量过低。日常生产班次中，每次停机不排空增塑剂，而是在存储器中保有一定储存量。
根据自动控制原理，车速斜坡响应可以分为过阻尼响应、临界阻尼响应和欠阻尼响应。理论上说，临界阻尼响应是最理想的控制方式，这种响应方式既实现了控制的快速性又实现了控制的稳定性；过阻尼响应是为了稳定性牺牲快速性；欠阻尼响应则是为了快速性牺牲稳定性。然而，临界阻尼由于条件过于苛刻，在实际控制中是无法实现的。
根据剩余的两种响应曲线的特性，笔者认为CPU启动时最好使用欠阻尼响应曲线，其理由是：CPU启动状态下，对增塑剂积累时间的要求优先于增塑剂含量的稳定性；而其他状态下使用过阻尼响应曲线，此时对含量的稳定要求优先于积累的快速性。
因此，利用S7-300启动时的组织块OB100在CPU启动中只执行一次的特性，对增塑剂伺服电机的控制方式依据机组不同的启动状态采取了不同响应曲线下的控制方法。具体来说，在CPU启动时（此时增塑剂存储量必定为零），通过启动组织块OB100中送出高速运转命令至增塑剂伺服电机，使控制曲线成为欠阻尼响应状态以实现对存储器中增塑剂的快速积累。而在非CPU启动状态，控制增塑剂伺服电机的FC功能块将送出普通速度命令，使控制曲线成为比较接近临界阻尼的过阻尼响应状态。
新的设计完全避免了CPU重启时带来的增塑剂积累过慢的问题、减少了废品数量，因此这样的设计不会影响正常生产状况时增塑剂含量的稳定性。
(2) 对滤棒剔除支数的计算策略
在纤维滤棒成型机的生产中，为保证滤棒质量，每当速度低于一定的设定值时，机组就会剔除此时的滤棒。此时机组的速度是不断变化的，按通常方式无法计算出具体的剔除支数。这对统计生产效率带来了相当的困难。
笔者可以得到动态的车速反馈，但这条反馈曲线是不断波动和变化的非线性曲线。对于非线性曲线，数学上只能够采用面积积分求解的计算方法。对于此项目就是要求给出一定时间内主电机的圆周行程，即机组一段时间内所生产的滤棒长度。
从这一角度出发，笔者考虑采用了对车速进行模拟积分的计算方法，即从积分的基本定义出发，求出剔除时间内的滤棒生产长度L=Σ(Δv*Δt)，再除以单个滤棒长度得剔除支数的计算方法。
按照积分的定义要求，积分求解是在一定条件下才能够成立。这个条件就是Δt要足够的小即Δt→0。在实际过程中，近似认为Δt=20ms时可以满足条件。此时，计算得出的滤棒支数与实际滤棒支数的误差在±3支以内。在精度上，以最高生产速度3300支/分钟计（此时滤棒长度为120mm），±3支的精度是完全可以满足精度要求。所以笔者认为只要将Δt控制在20ms时就可以满足积分求解的条件。
原系统的PLC扫描一周的时间高达几十毫秒，显然不满足要求。而此项目采用的S7-315-2DP，其单指令扫描周期为10μs级、整个扫描周期被缩短为7~8ms，这样就满足了积分计算的要求。
(3) 对拼接纸圈的控制策略
改造之前，纤维滤棒成型机执行的是降低运行速度再进行纸圈拼接。这种降速接纸方式对实际生产是不利的：每次降速都会造成车速的大幅度变化，影响了滤棒的质量。为消除这种影响，笔者采用了不降速拼接的方法。
不降速拼接和降速拼接并没有本质的区别：两者采用的接纸动作一样，两者只是在机械结构和电气控制元件上有区别。接纸速度的提高势必使纸圈的静摩擦力同等上升。如果转速斜坡率过高会产生很大的静摩擦力，该力会撕裂纸圈。如果转速斜坡率过低，拼接时的纸圈浪费将增加。
为避免烦琐，该项目放弃变频器对接纸电机转速的分段控制。为求出静摩擦力和纸圈长度两者之间的最优控制，笔者对接纸电机上升时间采取最优筛选法。通过最优筛选法得到的电机上升时间大约为3.4s。考虑到生产情况及电磁阀等器件的时滞效应，将这一时间进一步放宽为3.5s。
3 程序设计
程序设计采用了结构化设计，将所需实现的各主要功能编制成为S7-300中的用户功能块（FC块），在主程序循环模块（组织块OB1）中调用这些已经编制好的子程序。
程序设计分成硬件设计和软件设计两方面。在硬件方面针对系统要求进行设计，在软件方面则按需要编制了速度计算模块、报警和故障模块、伺服电机执行模块、增塑剂执行模块、生产统计计算模块等FC块和预设、保持系统及生产数据的数据块DB块。
(1) 硬件设计与组态
本系统在S7-300的硬件方面采用了1块PS307 5A电源模块，1块CPU-315-2DP，4块24V/0V SM321数字量输入模块，3块24V/0.5A SM322数字量输出模块，1块FM352-2高速计数模块，2块SM331模拟量输入模块，1块SM332模拟量输出模块以及用于DP总线通讯的IM153-1通讯模块1块。
S7-300外围设备为5个伺服电机的DP通讯端。
对上述硬件按要求进行组态，分别占据Profibus-DP通讯端的2、3~7和9号站，具体硬件组态如图3所示。
(2) 软件设计
由于编制的用户功能模块很多，限于篇幅，在这里不能一一作出介绍。以下介绍几个比较重要的用户功能模块。
① 数据块组（Group of Data-Blocks）
数据块组由一系列数据块组成。这些数据块除了一部分是S7-300程序中FB（功能块的一种）所要求的之外，其他的数据块都是用户自定义的。这是因为生产中机组的一些系统和生产数据必须被预设或保存。由于S7-300内部保持型M区的保存数量相对不足，例如：CPU315-2DP中整个可使用的M区的容量仅1024Bytes。同时，程序运行中所大量使用中间参数也需要不可重复的地址空间，所以将大部分的数据（特别是在触摸屏上显示的参数）编制成保持型DB块。
② 速度计算模块(FC for Speed)
虽然机组的最高生产能力为400m/min，但是在许多烟厂并不需要一直运行在高速度下。该项目提供可从触摸屏上选择5档不同的车速系统，本模块就是将无序设定的参数按由大到小的方式降序排列，并在触摸屏上以这种次序显示出来。在程序内部，本模块会进行数据转换并将转换后的数据提供给伺服电机执行模块。
③ 伺服电机执行模块(FC for Servo-Motor)
在得到速度计算模块和一些其他模块（如开松辊参数模块等）的数据后，伺服电机执行模块会向对应的伺服控制块发出指令和接收伺服电机状态参数。指令包括伺服控制字、车速命令、快停命令、上升时间和下降时间等，状态参数包括电机当前运行速度等。这些指令和参数通过过程通道和参数通道两种方式控制“一主三从”共计4个伺服电机。
④ 增塑剂执行模块(FC for Glyceride-Motor)
控制增塑剂的伺服电机是相对独立于其他伺服电机，控制结构类似于主电机。增塑剂执行模块通过内部计算得到增塑剂伺服电机的运行速度。同时，由于存在增塑剂软件补偿的问题，所以高速和低速运行的参数为不同的两组参数，程序按设置发送。这是这个模块区别于伺服电机执行模块的地方。
⑤ 生产统计计算模块(FC for Statistics)
由于要在生产中向工作人员提供实时的生产状况，所以编制了这个功能块，这样就可以通过多次反复调用FC205来得到各班次的生产状况。这样节约了编程的时间和工作量，也同时减少了程序编写出错的隐患。
4 结语
该控制系统全面提高了纤维滤棒成型机组的总体性能，控制功能得到完善和提升。将旧的交流变频控制系统升级为由S7-300控制下交流伺服系统，使KDF2型纤维滤棒成型机具有新的竞争力。
考虑到今后烟厂信息集成化和网络化数据采集的需要，这里使用的S7-300已经预留了数据采集端口，在程序中也进行了相应的处理。这无疑又增强了机组的生命力。
为此，笔者参照国际上先进的高速滤棒成型设备的设计原理，结合国内市场的需求和机组的特点，运用伺服传动系统的优良特性及PLC在工业控制中的优势，设计了此套控制系统。
1 系统概述
纤维滤棒成型机组控制和传动系统采用了Lenze公司的伺服系统、Digital公司的触摸式控制屏和西门子公司的PLC，分别通过MPI和DP通讯控制。
纤维滤棒成型机通过二次开松、增塑剂添加、卷制成形、刀盘切断和排列装盘的过程生产滤棒。
2 控制策略
(1) 对增塑剂添加的控制策略
起初延用原系统的欠阻尼响应曲线的控制方式。但是，在实际调试过程中，发现该控制方式存在一定的缺陷，具体表现为：每天第一次上电开机时，增塑剂存储器中增塑剂积累时间过长，造成一段时间内滤棒增塑剂含量过低。根据售后服务部门的反馈，某些烟厂为保证滤棒质量往往会剔除第一盒滤棒。这样会有较大的浪费。
产生这种情况是因为烟厂每天工作结束时或者CPU重启时机组都会停机，并排空存储器中的增塑剂。由于欠阻尼响应到达设定值时间过长，造成开始阶段滤棒增塑剂含量过低。日常生产班次中，每次停机不排空增塑剂，而是在存储器中保有一定储存量。
根据自动控制原理，车速斜坡响应可以分为过阻尼响应、临界阻尼响应和欠阻尼响应。理论上说，临界阻尼响应是最理想的控制方式，这种响应方式既实现了控制的快速性又实现了控制的稳定性；过阻尼响应是为了稳定性牺牲快速性；欠阻尼响应则是为了快速性牺牲稳定性。然而，临界阻尼由于条件过于苛刻，在实际控制中是无法实现的。
根据剩余的两种响应曲线的特性，笔者认为CPU启动时最好使用欠阻尼响应曲线，其理由是：CPU启动状态下，对增塑剂积累时间的要求优先于增塑剂含量的稳定性；而其他状态下使用过阻尼响应曲线，此时对含量的稳定要求优先于积累的快速性。
因此，利用S7-300启动时的组织块OB100在CPU启动中只执行一次的特性，对增塑剂伺服电机的控制方式依据机组不同的启动状态采取了不同响应曲线下的控制方法。具体来说，在CPU启动时（此时增塑剂存储量必定为零），通过启动组织块OB100中送出高速运转命令至增塑剂伺服电机，使控制曲线成为欠阻尼响应状态以实现对存储器中增塑剂的快速积累。而在非CPU启动状态，控制增塑剂伺服电机的FC功能块将送出普通速度命令，使控制曲线成为比较接近临界阻尼的过阻尼响应状态。
新的设计完全避免了CPU重启时带来的增塑剂积累过慢的问题、减少了废品数量，因此这样的设计不会影响正常生产状况时增塑剂含量的稳定性。
(2) 对滤棒剔除支数的计算策略
在纤维滤棒成型机的生产中，为保证滤棒质量，每当速度低于一定的设定值时，机组就会剔除此时的滤棒。此时机组的速度是不断变化的，按通常方式无法计算出具体的剔除支数。这对统计生产效率带来了相当的困难。
笔者可以得到动态的车速反馈，但这条反馈曲线是不断波动和变化的非线性曲线。对于非线性曲线，数学上只能够采用面积积分求解的计算方法。对于此项目就是要求给出一定时间内主电机的圆周行程，即机组一段时间内所生产的滤棒长度。
从这一角度出发，笔者考虑采用了对车速进行模拟积分的计算方法，即从积分的基本定义出发，求出剔除时间内的滤棒生产长度L=Σ(Δv*Δt)，再除以单个滤棒长度得剔除支数的计算方法。
按照积分的定义要求，积分求解是在一定条件下才能够成立。这个条件就是Δt要足够的小即Δt→0。在实际过程中，近似认为Δt=20ms时可以满足条件。此时，计算得出的滤棒支数与实际滤棒支数的误差在±3支以内。在精度上，以最高生产速度3300支/分钟计（此时滤棒长度为120mm），±3支的精度是完全可以满足精度要求。所以笔者认为只要将Δt控制在20ms时就可以满足积分求解的条件。
原系统的PLC扫描一周的时间高达几十毫秒，显然不满足要求。而此项目采用的S7-315-2DP，其单指令扫描周期为10μs级、整个扫描周期被缩短为7~8ms，这样就满足了积分计算的要求。
(3) 对拼接纸圈的控制策略
改造之前，纤维滤棒成型机执行的是降低运行速度再进行纸圈拼接。这种降速接纸方式对实际生产是不利的：每次降速都会造成车速的大幅度变化，影响了滤棒的质量。为消除这种影响，笔者采用了不降速拼接的方法。
不降速拼接和降速拼接并没有本质的区别：两者采用的接纸动作一样，两者只是在机械结构和电气控制元件上有区别。接纸速度的提高势必使纸圈的静摩擦力同等上升。如果转速斜坡率过高会产生很大的静摩擦力，该力会撕裂纸圈。如果转速斜坡率过低，拼接时的纸圈浪费将增加。
为避免烦琐，该项目放弃变频器对接纸电机转速的分段控制。为求出静摩擦力和纸圈长度两者之间的最优控制，笔者对接纸电机上升时间采取最优筛选法。通过最优筛选法得到的电机上升时间大约为3.4s。考虑到生产情况及电磁阀等器件的时滞效应，将这一时间进一步放宽为3.5s。
3 程序设计
程序设计采用了结构化设计，将所需实现的各主要功能编制成为S7-300中的用户功能块（FC块），在主程序循环模块（组织块OB1）中调用这些已经编制好的子程序。
程序设计分成硬件设计和软件设计两方面。在硬件方面针对系统要求进行设计，在软件方面则按需要编制了速度计算模块、报警和故障模块、伺服电机执行模块、增塑剂执行模块、生产统计计算模块等FC块和预设、保持系统及生产数据的数据块DB块。
(1) 硬件设计与组态
本系统在S7-300的硬件方面采用了1块PS307 5A电源模块，1块CPU-315-2DP，4块24V/0V SM321数字量输入模块，3块24V/0.5A SM322数字量输出模块，1块FM352-2高速计数模块，2块SM331模拟量输入模块，1块SM332模拟量输出模块以及用于DP总线通讯的IM153-1通讯模块1块。
S7-300外围设备为5个伺服电机的DP通讯端。
对上述硬件按要求进行组态，分别占据Profibus-DP通讯端的2、3~7和9号站，具体硬件组态如图3所示。
(2) 软件设计
由于编制的用户功能模块很多，限于篇幅，在这里不能一一作出介绍。以下介绍几个比较重要的用户功能模块。
① 数据块组（Group of Data-Blocks）
数据块组由一系列数据块组成。这些数据块除了一部分是S7-300程序中FB（功能块的一种）所要求的之外，其他的数据块都是用户自定义的。这是因为生产中机组的一些系统和生产数据必须被预设或保存。由于S7-300内部保持型M区的保存数量相对不足，例如：CPU315-2DP中整个可使用的M区的容量仅1024Bytes。同时，程序运行中所大量使用中间参数也需要不可重复的地址空间，所以将大部分的数据（特别是在触摸屏上显示的参数）编制成保持型DB块。
② 速度计算模块(FC for Speed)
虽然机组的最高生产能力为400m/min，但是在许多烟厂并不需要一直运行在高速度下。该项目提供可从触摸屏上选择5档不同的车速系统，本模块就是将无序设定的参数按由大到小的方式降序排列，并在触摸屏上以这种次序显示出来。在程序内部，本模块会进行数据转换并将转换后的数据提供给伺服电机执行模块。
③ 伺服电机执行模块(FC for Servo-Motor)
在得到速度计算模块和一些其他模块（如开松辊参数模块等）的数据后，伺服电机执行模块会向对应的伺服控制块发出指令和接收伺服电机状态参数。指令包括伺服控制字、车速命令、快停命令、上升时间和下降时间等，状态参数包括电机当前运行速度等。这些指令和参数通过过程通道和参数通道两种方式控制“一主三从”共计4个伺服电机。
④ 增塑剂执行模块(FC for Glyceride-Motor)
控制增塑剂的伺服电机是相对独立于其他伺服电机，控制结构类似于主电机。增塑剂执行模块通过内部计算得到增塑剂伺服电机的运行速度。同时，由于存在增塑剂软件补偿的问题，所以高速和低速运行的参数为不同的两组参数，程序按设置发送。这是这个模块区别于伺服电机执行模块的地方。
⑤ 生产统计计算模块(FC for Statistics)
由于要在生产中向工作人员提供实时的生产状况，所以编制了这个功能块，这样就可以通过多次反复调用FC205来得到各班次的生产状况。这样节约了编程的时间和工作量，也同时减少了程序编写出错的隐患。
4 结语
该控制系统全面提高了纤维滤棒成型机组的总体性能，控制功能得到完善和提升。将旧的交流变频控制系统升级为由S7-300控制下交流伺服系统，使KDF2型纤维滤棒成型机具有新的竞争力。
考虑到今后烟厂信息集成化和网络化数据采集的需要，这里使用的S7-300已经预留了数据采集端口，在程序中也进行了相应的处理。这无疑又增强了机组的生命力。
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