基于S7-300PLC的纸张质量控制系统

1  引言
目前，国内大型的造纸厂对纸张定量水分的控制系统的策略是进口关键单元，如定量水分传感器和变送器、扫描架、控制器、关键的机械部件等，控制部分用国内的技术及装置，组成完整的品控生产线，即满足了控制要求，而且节省了半数的投资。在本项目控制系统中，选用工控计算机作为操作站和工程师站，选用西门子s7-300 PLC作为主站和从站，网络通讯采用以太网和profibus现场总线。控制策略采用智能预测控制。

2  系统组成
扫描架带动定量和水分变送器在线检测，检测信号在计算机内通过数字滤波计算出定量水分的平均值，用定量阀控制纸张的绝干定量，用烘缸蒸汽压力给定值控制纸业水分，此过程是通过目标值和反馈控制系统来实现的。系统主要组成部分如图1所示。

图1  定量水分系统
2.1 扫描架部分
扫描架选用impact公司的b/m传感器变送器及相应的o形扫描架系统扫描架和定量水分信号通过tcp/ip协议和os站交换数据。impact公司的扫描架系统可以方便的对定量水分控制进行扩充，如检测和控制纸张的厚度、灰分、白度、平滑度、横向分布等。
此控制系统引进传感器型号如下：o型扫描架1880mm(1880mm advantage plus o-frame scanner)；单边扫描架1880mm(1880mm single sided frame)；定量传感器－钷147(basic weight sensor-pm147)；水分传感器-钨136(basic moisture sensor-w136)；轻触式厚度传感器(light touch air-bearing caliper senor)。
2.2 fcs(现场控制站)功能设计
(1)  与变送器、执行器一起构成具有自动调节能力的控制站。
(2)  对现场送来的信号进行处理转换，变成计算机能处理的信号。
(3)  把输出信号转化成现场执行器的控制信号。
(4)  具有相应的扩展输入/输出(i/o)模块，可完成输入/输出处理。
(5)  具有与监控操作站(os/oe)进行数据通讯的接口。
(6)  具备一个主控制板，能执行设定好的控制算法。
(7)  通过profibus-dp现场总线实现与从站和os进行数据通信。
考虑到系统性能和性价比，可编程控制器采用西门子s7-300plc。其特点是：模块化、易于扩展、通信稳定、运行可靠。s7具有开放性的网络结构适应于windows nt/2000和windows xp标准操作系统支持dde/opc，可通过以太网与企业上位信息管理系统连为一体。
通过profibus-dp现场总线实现i/o与控制器功能处理分散，可进行远程扩展，进一步提高了系统的可靠性和可操作性。可以通过计算机或触摸屏设定各个控制及连锁逻辑控制回路的控制周期及扫描周期。plc与os站的通讯接口模块采用cp340。
2.3 硬件配置
根据控制系统的要求，采用s7-300系列的plc来进行组态。对于控制系统的plc，首先，由于控制系统的i/o点数(本系统为110个点)不多，程序量不大，通过经验公式计算所需存储器容量(存储器容量(kb)=(1.1～1.25)×(di×10+do×5+ai/a0×100)/1024)，根据存储器容量大小选择主控模块为cpu314即可。
供电模块: 10a的ps307；中央处理器(cpu): 选用cpu314；模拟信号输入：所有的现场参数，由各自的变送器进行检测，通过相应的变送器转换为4～20ma的标准信号与plc系统的模拟量输入通道连接。选用模块为sm331/ai8(2块)；开关量输入：主要是一些控制按钮、急停按钮、限位开关、行程开关等，选用sm321 di16(2块)；模拟信号输出4～20ma的调节信号通过d/a模块输出，完成各回路中的调节器的控制。阀门采用气动调节阀，通过电气阀门定位器接受4～20ma电流调节信号。选用模块为sm332/ao8(2块)；开关信号输出：包括一些运行状态显示、报警等。选用模块为sm322/do32(1块)；通讯模块：选用r485接口的cp340(1块)。
为了保证控制系统运行可靠稳定，在信号的采集和控制通道中充分采用系统隔离技术。所有现场传感器信号通过隔离器或配电器进入plc的模拟信号采集通道，所有现场的开关信号及阀门的控制信号采用中间继电器隔离。
2.4 系统控制回路
(1) 上浆浓度控制回路 影响定量的只要因素是进入冲浆泵的纸浆浓度和流量，浓度通过浓度的自动控制系统来调节。
(2) 上浆流量控制回路 将流量计和相应的控制阀安装在冲浆泵的入口的管道上，实现对上浆流量的控制。根据一定的定量控制算法，改变流量设计值的大小。定量阀采用btg公司的，流量计采用横河ae215mg-as2-pnj-ain/br/sct。
(3) 蒸汽压力控制回路 本系统为三段供汽方式的8缸纸机，采用分段控制方式。分别对施胶前烘缸组(2缸)和施胶后烘缸组(6缸)压力进行顺序控制和定值控制，实现纸张水分的控制。
(4) 定量水分测控系统 定量和水分仪的探头安装在o型扫描架上，随扫描架的来回移动对纸张连续扫描检测，检测信号通过网络传输给计算机进行处理。并在计算机屏幕上实时显示定量水分横向分布图和和纵向趋势图。与此同时计算机通过检测值和设定值之间的偏差根据一定的控制算法发出控制信号，分别调节定量阀和烘缸蒸汽阀，使定量水分保持相对稳定。
(5) 纸机车速显示和调节 从纸机传动部变频器和增量式编码器组成车速的调节系统，并把车速信号传输给计算机显示，通过检测信号和设定信号之间的偏差发出调节控制信号，保持车速稳定。
2.5 os站(操作员站)的功能设计
(1) 组态设计、仿真调试、监控和控制操作。
(2) 与现场控制站连接通讯，实现系统的分散控制。
(3) 完善的系统应用软件，进行工控软件的二次开发，提供人机监控操作界面。
为保证控制系统运行稳定，在信号的采集和控制通道采用系统隔离技术，传感器信号通过隔离器进入plc的模拟信号采集模块，所有逻辑信号和阀门控制信号采用施奈德中间继电器隔离，保证控制系统与现场仪表的完全隔离。
该控制系统所有的压力、流量、液位、浓度、温度等信号以动态的形式在计算机上显示。系统的各个控制参数、工艺参数及生成的数据库自动的存贮在计算机中，便于实时查询。

3  系统控制策略
纸张生产过程中，定量和灰分的调节是一个大时滞、大惯性、强耦合、非线性的复杂控制过程。传统的pid很难对其进行有效的控制。本系统利用智能控制策略结合pid控制很好的解决了纸张定量和水分的控制。
3.1 系统功能
系统具有定量和水分的测量及控制，横向定量曲线的输出，绝干浆流量控制。plc根据定量水分的设定值和检测值之间的偏差，按一定的控制规律发出控制信号，分别调节定量阀的开度和和烘缸蒸汽压力的大小，保持定量水分的稳定。
(1) 调浆箱上浆浓度的自动检测和控制，克服了中浓浆浓度的变化对纸张定量的影响。
(2) 烘干部烘缸汽压的自动检测和调整，克服了外来汽压的波动对纸张水分的影响。
(3) crt显示纸张定量水分的工况数据历史记录。根据纸张定量水分的设定值和测量值之间的差值，控制浆流阀的大小和及蒸汽压力阀的动作，保正产出高质量的纸张。
(4) 根据工艺，通过电脑键盘设定控制参数和设定值。
(5) 系统操作规范有手动和自动两种方式，可根据需要自动切换。
3.2 控制算法
纸张定量的控制特性表现为滞后时间长、时间常数较短、测量值离散度较大。纸张水分的特性表现为时间常数大、易受干扰。在纸张生产过程中定量水分的控制存在着强耦合特性，因此要想达到理想的控制效果，就必须对定量水分的控制回路进行解耦，把纸张定量水分的控制回路分离开消除它们之间的相互影响。控制方案如图2所示。控制软件包括：纵向定量水分控制软件，绝干浆控制软件，烘缸控制软件。

图2  定量和水分计算机解耦控制系统
3.3 软件设计
(1) 设计平台：控制系统在windows xp环境下运行，编程软件为stpe7 v5.4，组态软件用wincc。为方便操作人员操作，所有微机操作都是用鼠标，画面切换、各参数设定都采用鼠标点击画面上的按钮来实现，所有的操作界面都使用汉语。画面直观、易懂、操作方便。
系统用profibus总线与下位s7-300plc进行数据通讯，下位s7-300通过cp340通讯模块与上位机进行数据交换，使系统的软件和硬件组成一个完整的系统，保证系统高效稳定运行。
(2) 人机界面：操作站上的人机界面有以下画面组成。
● 各参数(纸张定量、水分、厚度、灰分等)信号横向显示，设5s画面更新一次；
● 各参数(定量、水分、厚度、车速、流量、浓度、压力阀门开度等)历史趋势记录，设2秒钟更新周期。
● 实时、动态、直观的显示各控制点的工艺流程。
● 报警画面：操作员用鼠标点击报警按钮，就会切换到报警画面，操作员可直观的看到报警信号的工位号、报警类型、注释、报警时间和当前值(实时更新)，点击报警项就会切换到报警工号对应的操作界面，操作员可进行相应的修改。所有的报警可通过复位按钮进行复位。
● 历史报告画面：可以查询操作人员的操作记录和操作的详细时间，包括程控系统的启停、各参修改前和修改后的值等控制参数和工况参数设定界面。可存贮1年的历史数据库。

4  结束语
目前国内纸张质量控制系统通过进口国外关键设备结合国内的技术和装置可以达到国外成套设备的控制精度与控制效率。从而开创了一种性能/价格比极高的qcs模式。