SIMATIC-S7 PLC在造纸精浆机控制系统中的应用

1 前言
随着社会经济的迅速发展，尤其是国家对环保要求的日益提高，造纸行业竞争日趋激烈，原有的小型造纸设备很难适应邀烈的市场竞争，应运而生的大型造纸精浆机的地位便显示得尤为突出，对大型造纸精浆机控制系统的设计更是先进精浆设备设计的关键所在。正是基于这种情况，本研究采用PLC作为控制元件，实现对大型造纸精浆机打浆工艺的过程控制，并实现了对多种型号精浆机进行高质、高效、自动控制的目的。
2 系统简介
根据控制工艺要求，综合控制点数，我们选择了西门子公司的S7-200系列CPU214型PLC，它包括输入、输出、程序存储器和处理器4部分，具有指令执行速度快、可靠性高、中断灵活、内置计数器以及对输入/输出的直接查询和赋值等功能。
触摸屏采用西门子TP27-10型，它是基于PLC的软硬一体人机界面，能以图形界面形式实现各种工作状态的显示，并具有使用方便、人机对话界面友好、组态技术易掌握、与P轲进行良好通讯以及能适应车间工作环境等特点。通过触摸屏可以实现对精浆机具体工艺动作的操作控制。
系统的总体结构如图1所示，主要工艺动作过程如下：
主机启动之前，首先启动液压泵电机，确认冲水清洗磨室后进纸浆，为系统正常工作提供浆压。接着，主机启动，快速进刀，由待机停刀位进刀到指定位置，再慢速进刀到正常工作状态位。根据具体的工作需要，先行断浆之后可以实现人工或自动退刀到停刀位，正常退刀之后，系统给出是事冲水清洗的提示，确认冲水完毕，即可实现整机停车。当遇到特殊情况时，可以先紧急停车，安全退刀之后，再停止液压泵工作。
精浆机磨盘的实际工作间距非常小，要求在快速进刀之后，必须控制好进刀的速度，避免刀盘之间产生直接磨擦，损坏刀盘。进刀控制包括两个方面：快速进刀和慢速进刀，快速进刀是为了节省进刀时间提高生产效率，慢速进刀则是为了对进刀量进行准确控制，以满足刀盘之间对距离的严格要求。主机开始启动之前，要求在刀盘之间必须存在一定的压力，这个压力由纸浆溶液来提供，因此要首先启动液压泵电机，为系统提供所需的启动压力。如果压力差值太小或者为零，容易引起动态刀盘与静态刀盘的直接接触，导致刀盘报废，甚至磨盘主轴扭断等严重后果，为避免产生这种现象，需要对纸浆压力信号进行监控，在主机启动之前，首先要确认浆压值是否达到实际工作要求的范围。为提高系统的可靠性，浆压达不到要求范围时，主机不能启动。
3 系统功能设计
3.1 控制指标及控制模式的确定
根据对纸浆纤维和造纸品种的工艺要求，首先计算所需的有效打浆能耗，然后，求出具体的打浆控制功率，以恒功率的形式对主电机的功率输出进行控制。结合具体的应用场合，具体的控制策略实现形式会有所差别。
磨盘之间的距离是一个动态变量，在压力的调节过程中，会随着纸浆压力值的变化而变化，当浆压恢复到预先设定值的时候，磨盘之间的距离也会达到理想需求值。系统设定的参考控制指令值，与浆压和流量有着直接关系。理论上主电机输出功率的控制目标值是随浆压和流量变化的，进而控制磨盘之间距离的进给调整。但由于实际系统中浆压的波动比较缓慢，幅度较小，而且，超声波流量计通常比较昂贵。考虑到这两种实际情况，在该控制系统中可采用以下两种不同控制策略：（1）根据纸浆种类、打浆质量要求以及压力和流量的实际变动范围，确定相对固定参考功率值，实行恒功率控制，同时监控有关的浆压和流量信息，实行恒功率控制，同时监控有关的浆压和流量信息，实行超范围报警操作；（2）采用真正的有效能耗控制，根据实时检测的浆压和流量信号实时调整主电机输出功率指令，保证流量大小和浓度值达到工作要求。
浆压与间隙的对应关系，由具体的工作要求确定。浆压值大小则由采样计算得到的平均值确定，当浆压偏离设定值时，PID中断子程序将进行自动调节，直到浆压达到正常设定值。
3.2 PLC程序设计
应用编程软件Step7 Micro/Win32完成系统控制程序的编制工作。该编程软件具有梯形图、语句表和功能逻辑块图3种输入方式相互转化的能力，本研究采取语句表（STL）和梯形图（LAD）在开发PC机上混合编程的方式，提高了编程效率。由屏蔽通讯电缆将PC的RS-232串行端口和PLC的RS-485通讯端口联接，实现PC与PLC之间的通讯。
在该控制系统中，采用增量输出、数字式PID调节器控制方法，其实质是根据输入的偏差值，按比例（Proportional）、积分（Integral）、微分（Differential）的函数关系进行运算，其运算结果的增量用以输出控制。图2给出了数字式PID调节器结构框图。由比例系数直接决定控制作用的强弱，适当调节可减少系统的稳态误差，提高系统的响应速度；在比例调节的基础上加上积分控制可以消除系统的稳态误差，只要偏差存在，积分所产生的控制量是用来消除稳态误差的；而微分控制产生超前校正作用，用于减少超调，克服振荡，使系统趋于稳定，改善系统的动态性能。
在PID的运算过程中，需要确定控制周期的值。微分和积分是两个比较灵敏的数学运算，采用如下的计算公式：
整个程序包括主程序、初始化子程序和中断调用程序三部分，主程序完成对两个子程序的调用，实现对各个具体动作的控制，如进刀退刀、主机启动停止以及紧急停车等；子程序完成对各变量的初始化，定义参数值、溢出值和对参考值进行设定；中断程序是整个系统的核心部分，进行模拟量采样平均值及其差值的计算，具体实现PID调节器的整个控制过程。中断流程图如图3所示。下面给出中断程序中模拟量采样以及平均值计算程序的部分语句，示例整个程序的编制过程。采样次数、采样时间间隔由子程序定义。
MOVW AIW0，VW12 //模拟量采样值，首次采样
LD SM0.0 //SM0.0总为1
LDW>=VW12,+0 // 检查输入信号
MOVW +0，VW10
NOT
NOVW 16#FFFF，VW10 //把输入值转换成双字，则VD10=当前模拟量采样值
LD SM0.0
+D VD10,VD14 //采样值累加
INCW VW156，+n //若定时中断计数器数值>=预置定时中断个数
MOVD VD14，VD18 //采样和备份
ENCO 16#4，AC1 //计算移位数
SRD VD18，AC1 //用移位实现除法，即求得采样平均值
MOVD +0，VD14 //采样和清零
MOVW +0，VW156 //计数器复位
NOT
CRET1 //否则返回
3.3 触摸屏组态概述
由Protool组态软件完成在触摸屏上变量输入、信息显示和操作画面的定义，并实现其操作功能，从某种意义上讲，组态的实质既是功能的实现。举两个简单的例子。表1列出了部分已定义的全局变量。全局变量带有PLC链接，是实现触摸屏和PLC之间的数据交互通讯的联系纽带，它在PLC上占据一个已定义的存储器地址，可以在操作器单元上对该地址的变量进行读写访问。
变量VAR_1的地址M0.1与PLC的“主机启动”输入节点I0.1相对应，因此需要将其定义为“Button”功能，即通过该按钮可实现主机的启动。变量VAR_Q5的地址Q0.5与PLC的输出节点Q0.5相对应，用来实现浆压报警信号的输出，因此只需要将其功能定义为“输出显示”即可。
变量VAR_Kp的地址VW118对应PID控制器的“比例调节系数”，因此需要将其功能定义为“比例调节系数的设定”，它将要求工程技术人员设定合适的比例调节系数。同样，变量VAR_Kd分别定义为积分和微分调节系数的设定。
对触摸屏的整个组态工作主要包括“主机启动”、“口令保护”、“系统定义”、“参数设置”、“系统控制”和“PID控制”6个操作界面，以及各种操作按钮、显示画面和功能键等。其组态原理与上述两列相似，所不同的是组态的具体操作过程和组态工作的复杂程度。
4 结束语
可编程控制器和触摸屏在该控制系统中的结合应用是较为成功的，该系统具有功能完善、维护方便、操作简单、控制精确等特点，它已经应用在大型双盘精浆机和锥形磨浆机的系统控制中，控制对象既包括普通低压电机，又包括800kW的1万伏高压电机，均达到了打解浆效率高、质量好的预期要求。其中，淄博轻工机械股份有限公司在承担的国家技贸引进技术课题DD-720双盘精浆机中，应用了本研究的控制系统，该计贸引进技术课题已经通过了国家级技术鉴定。