西门子S7-200在纸袋糊口机同步控制系统中的应用

前 言
　　由于以纸、塑料薄膜、复合材料为包装材料的生产线得到越来越广泛的应用，包材的准确传送显得尤为关键，特别是在多级传动电机同步运行控制中，各传动电机在升速或降速的过程中要求多级传动电机能够及时地同步运行。本文以纸袋糊口机生产线控制系统为背景，介绍PLC在同步控制中的应用。
1 系统总体设计
1.1 系统组成
　　该生产线利用聚丙烯编织布（PP）、聚乙烯薄膜（PE）等材料作为制袋布，袋长760mm，袋宽630mm。采用4套色印刷，生产速度60条/分钟，包括印刷切断和成型两个工段。印刷切断工段主要负责将编织布卷（PP、PE）进行塑编布的4种颜色的正反面着墨印刷，印刷后的编织布通过切刀按照设定的袋长进行切割，配置1个现场操作台、一个变频器扩展柜（配有2个变频器）；成型工段主要负责转向、施胶、打开、糊口、糊底等，一个现场操作台、一个继电器扩展柜、一个变频器扩展柜（配有2个变频器）完成控制。
1.2 硬件构成
　　该项目采用西门子S7-200最新的XP系列的CPU作为主控制单元，配有6个A/D、D/A输入输出扩展模块，主要完成现场信号的采集、工程单位变换、回路控制和连锁控制算法、控制信号输出等功能；操作界面采用西门子的SIMATIC TPl70B触摸面板作为人机界面，主要完成工艺参数的显示、控制参数的设置、控制操作、历史数据的记录等。
1.3 软件组态
1.3.1 网络通讯
　　在工程网络的建设中，主控制单元作为上位机，4台变频器作为下位机，分别设置不同的站地址，使得PLC和变频器之间建立上、下位机关系。由于S7-200的XP系列CPU内置2个RS485通讯口，因此可以将一组通讯口Port 0与触摸面板进行点对点（PPI）通讯，另一组通讯口Port 1作为自由口与变频器进行数字通讯，即从触摸面板输入工艺参数，由TPl70B经过Port 0口传递给PLC，PLC经过数据运算处理通过Port 1口将数据发送给各个变频器来控制各电机转速，在从变频器、温度变送器等采集有关数据，通过计算传给TPl70B进行显示。整个过程采用每隔100ms发送XMT一次，接受采用接受中断方式。在发送XMT数据前关闭所有接受中断，发送后再通过发送中断程序打开接受中断程序，并关闭发送中断程序。
1.3.2 程序设计
　　该糊口机控制系统的程序采用模块化设计，分为主程序、子程序和中断程序三大部分。主程序主要负责根据不同的条件状态调用相应的子程序、根据逻辑位调用中断程序等功能；可以将在多个地方使用的程序段通过子程序模块化，比如采样子程序、超限报警子程序、PID控制于程序等，在具体使用的地方只需调用这些子程序，赋予具体的数据参量和存储地址，这样可大大提高代码的使用效率，并减少了代码的维护工作量；中断程序主要包含PLC和变频器通讯算法，同步调速控制算法，主要完成印刷切断部和成型部传动电机的同步运行的功能。
1.3.3 同步控制系统实现
　　由于该生产线中印刷切断工段和后面的成型工段分别由两个电机拖动，各台电机分别由变频器调速驱动，构成多单元同步传动系统。将成型工段的主电机作为主令单元，印刷切断工段的主电机作为协从单元。工作时，需要多大的运行速度，由主令单元决定和调整，生产过程中要求协从单元协调同步，使切断的编织布在两个工段中保持恒定的线速度。操作员调节主令单元速度时，也要协从单元能同时调整速度，满足整机速度的同步调整。为此，我们采用2个增量式旋转编码器分别检测切刀转速和转向处传动轴的转速，将编码器发出的脉冲送至PLC的高速脉冲计数输入单元I0.0和I0.1，利用高速计数器对编码器脉冲进行计数，在给定的采样时间中，PLC将采集到的各单元实时转速与设定运行参数综合，按既定的同步控制策略进行运算和控制，得到各单元电机的运行速度设定值，再通过PLC内置的RS485接口与变频器上的MODBUS现场总线通信接口卡之间的现场总线传输给变频器执行。
　　在控制策略上，采用智能补偿和传统PID结合的控制方法。PID调节器具有本质的鲁棒性、符合二次型最优控制选型原则、具有智能化的专家特色。同时，为了保证编码器传输给PLC的高速脉冲个数准确，确保高速脉冲的个数在允许的误差范围内，使用编码器的零位脉冲信号对其作周期性检测，同时可以通过编程软件对CPU的脉冲输入端口设置脉冲的捕捉功能，输入端的状态变化被锁存并一直保持到下一个扫描循环刷新，这样可以防止脉冲信号丢失。
　　在主令单元和协从单元间采用同一给定电压方式的基础上，比较两者的转速，其差值经补偿器加到协从单元的控制输入端。电机间的速度协调关系有同步系数决定。
　　其中，VF为变频器，ED为编码器，CP为补偿器，M为电机。设同步速度允许工作带宽为△ng，在k时刻双驱动电机的实际反馈转速分别为n1（k）、n2（k），不同电机要求的工艺速度比值为Kn=N1／N2（N1、N2分别为两电机速度给定值）两机异步停车报警的最大速度为△nmax，则当：
，系统同步正常，不进行同步补偿调节。
，系统严重不同步，停车报警。
，计算同步补偿量cp，进行同步补偿控制。
由于该系统是定值速度系统，因此Kn=1，其两台电要同步补偿量为：
　　从动电机单闭环速度调节器控制输出ud（k）采用增量式PID控制规律进行调节。对于某一时刻t，PLC通过增量式编码器脉冲定时计数得到电机的反馈转速n1，n2，定义同步偏差为e=n1-n2。
其中，最后可得到同步控制器的输出从人机界面的速度历史曲线上可以得到应用PID补偿器前后的从动电机速度响应曲线。
加入PID补偿控制器后，起动过程跟随效果较好，消除了超调，而且上升时间明显缩短，加扰动或急停时仍能保持很好的同步性。
2 结论
该控制系统在长春益成包装厂投入运行半年多以来，整套系统一直运行正常，同步电机起动过程中跟随性能和稳定性能均有明显的改善，提高了生产线的运行速度和生产效率，取得了良好的经济效益，在塑编包装机械行业具有较好的推广价值。