PLC在特殊造纸传动控制系统上的应用

摘要：
本文介绍了西门子S7-300 PLC及6ES70变频器在特殊造纸传动控制系统上的应用。根据传统造纸行业传动系统大惯量，高起动转矩的特点，并针对具体的工艺控制要求，我们提出了一套低成本高控制精度的控制系统。
1 项目简介
烟台氨纶股份有限公司位于山东半岛风景优美的港城——烟台。公司创建于1987年，专业从事高科技特种纤维的研发与生产，是中国首家生产氨纶的企业。现已成为国家火炬重点高新技术企业，中国特种纤维专业委员会主任单位。并实现了规模化生产，形成国内最大的氨纶生产基地。跻身世界氨纶大企业行列。目前又成功地开发出耐高温、阻燃、绝缘新材料——芳纶1313，芳纶1414并实现了工业化生产，彻底打破了少数发达国家对我国的技术封锁和市场垄断。目前烟台芳纶1313产品年产能已升至2500吨，跃居世界第二，仅次于美国杜邦公司。并且成功开发出芳纶纤维造纸技术。在此之前，世界上仅有美国杜邦公司拥有这一技术,独家垄断着全球芳纶纸市场。烟台氨纶公司芳纶造纸项目就是在这样的形势下应运而生的。芳纶1313纤维纸，是用纯芳纶1313制成的特种纸，具有高强度、低形变、耐温、耐腐、阻燃、绝缘等优良性能，是芳纶1313纤维的深加工产品。本项目主要包括两套控制系统：造纸DCS过程控制系统和造纸传动控制系统。DCS过程控制系统用的是西门子的PCS7；传动控制系统用的是S7-300PLC和6ES70变频器。本论文着重详细介绍传动控制系统。
2项目简要工艺介绍
项目简要工艺流程如下图所示：

简要工艺流程图
从工艺流程图可见，浆流箱之前的工艺属于造纸DCS过程控制系统的范畴，本文不做过多的阐述。从浆流箱到卷取机之间的工艺属于造纸传动控制系统。详细的工艺流程如下：从浆流箱出来的纸浆经过网部驱网辊抄制出纸张的雏形，此处的纸张潮湿、粗糙、不平整。经过压榨部真空辊和盲孔辊的压榨，再经过干燥部三组烘缸的烘干，最后由压光部压光机的压光，形成平整、干燥、光滑的成品纸。从网部到压光部，共有12台电机参与纸机传动系统的控制，这12台电机分别为：网部驱网辊电机，一压真空辊电机，二压下盲孔辊电机，干网一，干网二，一组烘缸电机，二组烘缸电机，三组烘缸电机，干网三，干网四，压光电机,辅网传动电机。12台电机都是采用的国际知名品牌SEW，且电机上都配有SEW的编码器。在纸机正常运行时，12套电机的速度要保持一定的速比，来保证纸张的平滑过渡，而不至于断裂。电机的速度和速比都是由S7-300通过6ES70变频器进行矢量控制，控制精度高达0.01%。在纸机正常运行时，有时还需要对网毯的松紧进行调整，引纸时还需要微调辊速。在纸机调试或维护时，12台电机又可以单独控制开停和速度，电机之间不存在速比关系。
从纸机传动工艺来看，控制系统好像并不复杂，但其实不然。首先，造纸传动系统的特点：大惯量，高起动转矩。其次，本系统要求高精度控制。再次,操作台距离控制室远且要求丰富的操作功能。最后，对系统安全性和稳定性要求极高。
根据工艺要求，经过认真调研和周密思考，最终选择西门子S7-300PLC作为控制系统。本系统选用CPU 315-2DP作主控制。12台6ES70变频器的控制通过Profibus通讯。现场操作台控制采用ET200M扩展。现场还有两套西门子的人机界面，采用的是TP270。它们与PLC都是通过 Profibus进行通讯的。
控制柜布置如下图所示：

控制柜布置图
最终选定西门子的硬件配置如下表

3控制系统构成
该系统的硬件配置及系统结构如下图所示：

系统结构图
PLC是控制系统的核心，控制的功能，适用性，可靠性和性价比是选型的依据。根据控制目标和控制点数，以及工艺的具体控制要求。考虑到现场操作台及操作屏距离控制室较远，并且现场有大量的I/O点（按钮，旋钮，指示灯，报警灯等），我们在操作台内增加了分布式I/O ET200M扩展。考虑到系统的扩展以及与其它厂家西门子系统（如QCS,复卷机）的互联，系统的通讯都采用了Profibus。最终我们选用了西门子S7-300 PLC,CPU选用的是315-2DP。
人机界面的选择，选用的是西门子的TP270（ 规格：10.4" 640＊480 256色），特点是可靠性高，组网方便，大屏幕，组态画面丰富，功能强大，从操作性，易用性，友好性上可以完全满足用户的要求。
变频器的选择，也是以控制功能，控制精度，适用性，可靠性，性价比为选型依据。结合具体的工艺要求，最终选择西门子的6ES70系列变频器来实现高精度的矢量控制。
上位操作站选用的是DELL的商用机，可靠实用，性价比高。
上位机工艺流程监视画面如下图：

工艺流程画面
4控制系统功能
控制系统的功能，完全是围绕着6ES70变频器和12台传动电机（带编码器）进行的。下面分别从程序功能，矢量控制，操作台功能，上位机功能和人机界面功能几个方面，择重点做一下介绍。
（1）程序的功能首先是实现了手动/自动控制，按照工艺也可以叫做单动/联动控制。在单动时，可以单独启动或停止某台电机，可以对其将进行速度控制，可以微调速度等；在联动时，12台电机存在于同一个速度链上，每相邻的两台电机存在一个速度比，且以第一台电机（网部驱网辊电机）的速度作为参考速度，不能对某台电机进行单独启动或停止，但可以对某台电机进行升降速控制。脱链控制是根据工艺控制要求，在联动控制时实现速度在链和脱链两种状态之间自由切换，且在脱链状态时要求其后电机的速度比自动切换到以其前的电机为参考。 其次，程序还实现了工艺要求的一些联锁控制，如电机和风机的联锁等。再次，程序还实现了保护和防止误操作的功能，如电机启动保护和过负荷保护，速比保护和防误操作功能等。最后，程序还实现了过负荷报警，故障报警，来驱动不同颜色的报警灯并发出报警声音。
联动控制原理如下图：

联动控制原理图
（2）矢量控制主要针对于6ES70变频器的控制。
这也是本系统的核心和难点。变频器通过高精度的矢量控制对电机进行控制，脉冲编码器将电机的转速反馈给变频器。变频器通过Profibus通讯将速度，电流，电压，负荷率，状态字等数据上传PLC，PLC通过Profibus来启动停止电机，设定电机的速度等。矢量控制的难点在于
1、与矢量控制相关的变频器参数设置，要反复的更改以达到最优控制效果。
2、电机模型的辨识，这直接影响电机的控制精度
3、如何实现矢量控制的高稳定性。这也是系统调试过程出现的问题。
（3）操作台的功能是实现现场控制，主要功能如下：
1、采用两位置旋钮开关，实现手动/自动转换，网毯张紧/电机升降速度转换。
2、采用带灯按钮，实现12台电机的启动和停止，并且带状态灯显示。（手动状态可控，自动状态不可控）
3、采用自复位三位置旋钮，在网毯张紧状态实现网毯的张紧或者放松；在电机升降速度状态实现电机速度的升降控制。
4、其他功能，如故障报警指示，故障复位，系统急停，系统联锁和系统预警。
（4）上位机画面采用西门子功能强大的WINCC进行组态，主要功能：
1、界面采用模块化设计，画面和功能操作友好、灵活、方便。
2、实现了所有重要数据的实时监控，所有控制参数的权限化操作。
3、实现了电机重要参数的灵活设置，报警记录，重要变量记录和操作记录。
（5）人机界面采用西门子专用设计软件PROTOOL进行组态，主要功能：
1、实现了重要数据的实时监控和控制，画面和功能操作友好、灵活、方便。
2、实现了速比的配方管理，大大方便了用户的操作。
3、实现了重要数据（如电机负荷率）的实时曲线显示，参数设置等，显示更直观，操作更方便。
5项目运行
目前，本项目正处在试运行阶段，系统运行稳定、可靠。程序功能强大，画面操作友好、灵活、方便。获得该公司领导和技术人员的一致好评，深得现场操作人员的喜爱。据悉，等项目完全运行之后，该公司准备上二期工程。
6应用体会
通过项目的实施和调试，对西门子的控制系统有了更深层次的把握，对6ES70变频器的应用有了更深的认识。
（1）西门子的控制系统功能强大，模块丰富，组态灵活，扩展方便。
（2）西门子的编程软件STEP7，结构化程序开发思想，多种编程语言选择，编程灵活，高效。组态软件WINCC，功能强大，画面丰富，使用方便。
（3）本系统的优点在于采用了Profibus通讯和分布式I/O控制的结构模式，不但大大节省了控制线缆，而且充分发挥了西门子控制系统的优势，提高了系统的稳定性和可靠性。不足之处在于人机界面选用的是触摸屏，如果选用操作屏会更完美。