摘 要：本文介紹了一條基于Profibus DP總線的五層瓦楞紙板生產(chǎn)線傳動(dòng)控制系統(tǒng)。以上位機(jī)、PLC和多傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成三級控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了速度鏈結(jié)構(gòu)、壓力閉環(huán)控制、張力控制及相關(guān)輔助連鎖控制等控制要求，保證了生產(chǎn)線穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。 關(guān)鍵詞：Profibus DP; plc;速度鏈;負(fù)荷分配 一、引言 　　近年來我國經(jīng)濟(jì)一直保持高速增長的態(tài)勢，沱牌集團(tuán)酒類產(chǎn)品、食品、飲料產(chǎn)量在內(nèi)需和出口的迅猛發(fā)展下，促使與其相關(guān)的包裝需求也有很快的發(fā)展、瓦楞紙板箱在其包裝領(lǐng)域里占相當(dāng)大的比重，所以沱牌集團(tuán)2007年的重點(diǎn)技術(shù)改造項(xiàng)目中提出對其原來的生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造，提高生產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量和效率，要實(shí)現(xiàn)管理—控制一體化 ，能根據(jù)酒類產(chǎn)品、食品、飲料產(chǎn)量來控制包裝紙箱的生產(chǎn)。 　　瓦楞紙板生產(chǎn)線就是由卷筒原紙經(jīng)過壓制瓦楞、上膠、粘合定型、分紙壓線、橫切成規(guī)格紙板， 最后經(jīng)堆碼輸出等工序組成的流水作業(yè)線，簡稱瓦楞板板生產(chǎn)線。生產(chǎn)線構(gòu)成見圖1[1] [align=center] 圖1五層瓦楞紙板生產(chǎn)線 Fig.1.The five corrugated cardboard production lines[/align] 　　該生產(chǎn)線原來使用集中拖動(dòng)，各級傳動(dòng)由機(jī)械變速箱和離合器來完成，控制精度差，工人操作難度大，產(chǎn)品調(diào)整要停機(jī)來從新設(shè)置變比，效率低下[2]。決定使用采用以可編程控制器PLC和變頻器為基礎(chǔ)的集散控制系統(tǒng)，將PLC作為現(xiàn)場采集控制站，profibus dp 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同時(shí)還可以利用Ethernet構(gòu)成上位管理級，以實(shí)現(xiàn)管控一體化[3]。 二、控制系統(tǒng)構(gòu)成 　　紙板生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下圖2所示： [align=center] 圖2 紙板生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 Fig.2. The structure of control system of cardboard production lines[/align] 　　系統(tǒng)為三級控制方式。 　　傳動(dòng)系統(tǒng)第一級為變頻器控制級，變頻器采用三菱公司FR-A540系列多傳動(dòng)控制器，配有閉環(huán)控制編碼器反饋板，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器上還配有Profibus DP通信模塊（FR-A5NP） 完成速度同步功能。同時(shí)可通過人機(jī)介面設(shè)定有關(guān)速度微調(diào)參數(shù)，再由主站CPU通過網(wǎng)絡(luò)模塊與變頻器系統(tǒng)通訊及設(shè)定，與PLC組成PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)高速通訊。 　　傳動(dòng)系統(tǒng)第二級為PLC控制系統(tǒng)，PLC采用西門子公司大型S7-400 CPU為414-2DP，執(zhí)行輸入及輸出邏輯的處理，將同步數(shù)據(jù)運(yùn)算，相關(guān)的信息通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁髡?。PROFIBUS-DP主站設(shè)在中控室，該P(yáng)LC負(fù)責(zé)通過PROFIBUS-DP采集各種信息，并在模擬屏上實(shí)時(shí)顯示整個(gè)車間運(yùn)行狀況，一旦發(fā)生異常隨即報(bào)警，以提醒操作員在第一時(shí)間作出相應(yīng)調(diào)整S7-400與變頻器、OP270操作屏以及S7-200輔助PLC組成PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)，完成整個(gè)生產(chǎn)線操作控制[4][5] 　　傳動(dòng)系統(tǒng)第三級為上位優(yōu)化控制系統(tǒng)，采用DELL公司工業(yè)控制計(jì)算機(jī),用于整個(gè)紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控。上位機(jī)采用西門子組態(tài)軟件WINCC，可以通過工業(yè)以太網(wǎng)與QCS上位機(jī)、DCS上位機(jī)、車間管理級、廠級管理級等聯(lián)網(wǎng)控制，實(shí)現(xiàn)紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化控制和自動(dòng)控制[6]。 三、控制系統(tǒng)完成的功能 　　在紙板生產(chǎn)線傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，根據(jù)工藝要求需要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)主要的控制。 　　1.速度鏈控制 　　速度鏈結(jié)構(gòu)采用二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，先對各傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，確定速度鏈中各傳動(dòng)點(diǎn)的編號，此編號應(yīng)與傳動(dòng)單元（本系統(tǒng)為逆變器）中設(shè)定的地址一致。即任一傳動(dòng)點(diǎn)由三個(gè)數(shù)據(jù)（“父子兄”或“父子弟”）確定其在速度鏈中的位置，填入位置寄存器相應(yīng)的數(shù)值，從而構(gòu)成整個(gè)速度鏈結(jié)構(gòu)。 [align=center] 圖3 速度鏈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Fig.2.The structure.of control system.of speed chain[/align] 　　如圖3所示我們把紙板生產(chǎn)線的膠合部分作為速度鏈中的主節(jié)點(diǎn)，即它的給定速度就決定整個(gè)紙板生產(chǎn)線的工作車速，調(diào)節(jié)其給定速度就調(diào)節(jié)了整個(gè)紙板生產(chǎn)線紙機(jī)車速。在PLC內(nèi)，我們檢測到車速調(diào)節(jié)信號則改變車速單元值，1點(diǎn)處的速度就為第一臺變頻器的運(yùn)行速度設(shè)定值，將其送第一臺變頻器執(zhí)行，并送給第二臺計(jì)算。第一分部的速度值乘以第二分部的變比b1/a則為第二臺變頻器的給定值。若第二分部速度不滿足運(yùn)行要求，說明第二分部變比不合適，可通過操作第二分部的加速、減速按鈕實(shí)現(xiàn)，PLC檢測到按鈕信號后調(diào)節(jié)b1即調(diào)整了變比，使其適應(yīng)生產(chǎn)要求。相當(dāng)于在PLC內(nèi)部有一個(gè)高精度的齒輪變速箱，可以任意無級調(diào)速。若正常生產(chǎn)中變比合適，某種原因需要用緊紙、松紙時(shí)，按下該分部緊紙、松紙按鈕，PLC將對應(yīng)在速度鏈上附加一正或負(fù)的偏移量則實(shí)現(xiàn)緊紙、松紙功能。圖中2點(diǎn)就包含了調(diào)速和緊紙、松紙等操作指令的速度值，將它送給第二臺變頻器執(zhí)行，同時(shí)送下一級計(jì)算。依此類推，構(gòu)成速度鏈控制系統(tǒng)。速度鏈的分支設(shè)計(jì)采用父子算法，可以構(gòu)成任意分支的速度鏈結(jié)構(gòu)。 　　本速度鏈的設(shè)計(jì)不僅只是為實(shí)現(xiàn)紙板生產(chǎn)線傳動(dòng)控制要求，而且為后續(xù)的計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制提供了可能。在PLC內(nèi)部有非常精確的傳動(dòng)變比，我們設(shè)計(jì)為精度為0.001%，通過設(shè)定參數(shù)可以做到更高。這樣有精確的傳動(dòng)變比上位計(jì)算機(jī)可以精確地記憶紙板生產(chǎn)線傳動(dòng)過程參數(shù)，當(dāng)需要更換品種或車速時(shí)，上位計(jì)算機(jī)可以準(zhǔn)確地將紙板生產(chǎn)線運(yùn)行參數(shù)傳入到PLC，由PLC執(zhí)行，將紙板生產(chǎn)線調(diào)整到當(dāng)前工作狀態(tài)。 　　2.負(fù)荷分配控制 　　在紙機(jī)傳動(dòng)控制過程中經(jīng)常遇到由幾臺電機(jī)同時(shí)拖動(dòng)同一負(fù)載的情況。例如膠合部兩輥膠合，上下傳動(dòng)輥都有自己的傳動(dòng)電機(jī)，通過加壓同步運(yùn)行。所以類似這樣的傳動(dòng)只有電動(dòng)機(jī)速度同步并不能滿足實(shí)際系統(tǒng)的工作要求，實(shí)際系統(tǒng)還要求各傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)負(fù)載率相同，否則會(huì)造成一個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)由于過載而過流，另一傳動(dòng)點(diǎn)則由于被拖動(dòng)而過壓，由此可能造成傳動(dòng)單元報(bào)警甚至停機(jī)，影響生產(chǎn)。因此這兩個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)之間需要進(jìn)行負(fù)荷分配控制。 　　負(fù)荷分配原理：在多電機(jī)傳動(dòng)過程中要求各傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)負(fù)載率相同，即δ=Pi/Pie相同（Pi為i電機(jī)所承擔(dān)負(fù)載功率，Pie為電機(jī)額定功率）。而且在負(fù)荷分配調(diào)節(jié)過程中不能影響其它各分部的速度。所以我們采用速度鏈主鏈與子鏈相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。 　　本系統(tǒng)中共有11組負(fù)荷分配傳動(dòng)點(diǎn)。包括網(wǎng)部4組，壓榨部3組，烘缸部3組以及施膠部1組。PLC采集負(fù)荷分配點(diǎn)的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩，求出每組總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，根據(jù)總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩計(jì)算負(fù)載均衡時(shí)的期望轉(zhuǎn)矩值，如下式： 　　其中：T是均衡時(shí)的期望轉(zhuǎn)矩值;Pie是負(fù)荷分配各點(diǎn)的額定功率; Ti是各點(diǎn)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩。 　　主控PLC由DP總線通過通訊取得各點(diǎn)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩，通過上式計(jì)算出負(fù)荷均衡時(shí)的期望轉(zhuǎn)矩作為給定值，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元的輸出，使各點(diǎn)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩值趨向一致。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，使負(fù)荷分配傳動(dòng)點(diǎn)處于速度鏈的支鏈上，則當(dāng)調(diào)節(jié)該點(diǎn)負(fù)荷時(shí)，不會(huì)影響其他傳動(dòng)點(diǎn);同時(shí)還要考慮到調(diào)節(jié)負(fù)荷分配各點(diǎn)的輸出時(shí)設(shè)置輸出限幅，以免速差過大造成設(shè)備損害。 　　3.氣壓壓力閉環(huán)控制 　　在原生產(chǎn)線中，瓦楞加壓及熱合部主臂加壓大多采用手動(dòng)閥操作的開環(huán)控制，壓力調(diào)節(jié)精度較差，壓力不易保持穩(wěn)定。在本系統(tǒng)中采用壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，不但使得壓力調(diào)節(jié)精度提高，而且壓力穩(wěn)定，從而對生產(chǎn)線的正常生產(chǎn)提供了保證。 　　設(shè)計(jì)中要得到較高的控制質(zhì)量，首先要對壓力值進(jìn)行校準(zhǔn)。由于壓力傳感器本身的非線性，因此可采用分段線性化對壓力值進(jìn)行校準(zhǔn)，即使得現(xiàn)場壓力表的顯示值和觸摸屏上的顯示值達(dá)到一致。一般而言，可以把校準(zhǔn)范圍分為三段，因?yàn)閴毫鞲衅鲀蓚?cè)線性較差，而在中間段線性較好。 　　對壓力值進(jìn)行校準(zhǔn)之后，通過PID控制算法實(shí)施壓力閉環(huán)控制，適當(dāng)整定PID參數(shù)即可達(dá)到壓力的穩(wěn)定輸出控制。實(shí)際設(shè)計(jì)中，壓力的實(shí)際值通過加壓部S7-200輔助PLC采集后濾波處理并進(jìn)行閉環(huán)控制程序設(shè)計(jì)，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)通過PROFIBUS-DP總線送入主控PLC中，再通過觸摸屏的模擬屏進(jìn)行顯示及參數(shù)設(shè)置。 　　另外，還要考慮到壓差自動(dòng)抬輥，手動(dòng)/自動(dòng)切換，預(yù)壓/加壓控制等控制環(huán)節(jié)。 　　4 .張力控制 　　該系統(tǒng)主要用于瓦楞紙板生產(chǎn)線。能對瓦線生產(chǎn)中的原紙張力進(jìn)行自動(dòng)檢測和適時(shí)控制，從而消除在瓦楞紙板生產(chǎn)過程中因原紙張力變化而產(chǎn)生的斷紙現(xiàn)象，大大提高了生產(chǎn)效率和原材料的利用率，除低生產(chǎn)成本。根據(jù)生產(chǎn)線工藝要求，橫切機(jī)前加入張力傳感器。張力傳感器將張力信號送入PLC，在操作臺上的操作屏上進(jìn)行張力設(shè)定，PLC根據(jù)張力設(shè)定值和張力傳感器的反饋值進(jìn)行調(diào)節(jié)。保持張力恒定準(zhǔn)確。并在操作臺的操作屏上顯示實(shí)際張力。 　　張力傳感器檢測紙板的張力信號送入PLC內(nèi)，根據(jù)在操作屏上的張力設(shè)定進(jìn)行計(jì)算，調(diào)節(jié)其后傳動(dòng)輥的輸出轉(zhuǎn)矩，維持紙頁張力恒定，實(shí)現(xiàn)張力閉環(huán)控制。在張力傳感器前加有斷紙檢測，出現(xiàn)斷紙，可以自動(dòng)退出張力控制模式，自動(dòng)轉(zhuǎn)為速度控制模式。待紙頁重新引上后，斷紙信號消失，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為張力控制模式。 　　PLC內(nèi)采用PID控制算法，并帶有速度限幅，防止斷紙時(shí)出現(xiàn)飛車現(xiàn)象。PLC對張力傳感器信號進(jìn)行分析，可以及時(shí)報(bào)警并有效預(yù)防張力傳感器故障對生產(chǎn)的影響。 　　張力控制可以通過操作屏選擇投入/退出功能。 　　5.自動(dòng)換卷控制 　　要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換卷功能，必須紙板生產(chǎn)線的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)及電氣等各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到較高的控制精度和可靠性，否則可能造成設(shè)備及人員損傷。因此在無軸原紙支架的相關(guān)部位共裝有23個(gè)接近開關(guān)，用來檢測無軸原紙換卷過程中各部位動(dòng)作到位情況。 　　在設(shè)計(jì)中采用“手動(dòng)/半自動(dòng)/全自動(dòng)”三種控制模式?！笆謩?dòng)”模式下，純粹以手動(dòng)操作;“半自動(dòng)” 模式下，整個(gè)換卷過程分為連續(xù)的幾個(gè)階段，每完成一個(gè)階段，系統(tǒng)檢測當(dāng)前各部分是否到位，并給出提示信號，如果正常則可繼續(xù)進(jìn)行下一階段，否則系統(tǒng)報(bào)警提示，并停止動(dòng)作以便操作人員處理。“全自動(dòng)”模式時(shí)，正常情況下系統(tǒng)完全自動(dòng)運(yùn)行，一旦檢測到某部分運(yùn)行不到位，則立即停止動(dòng)作并給出聲光報(bào)警提示，由操作人員進(jìn)行處理。 　　設(shè)計(jì)中接近開關(guān)的檢測信號送入支架部S7-200輔助PLC中，并通過PROFIBUS-DP總線送入主控PLC進(jìn)行處理，在操作屏上顯示檢測信號狀態(tài)及提示信息等，配合操作人員及時(shí)掌握自動(dòng)換卷運(yùn)行狀態(tài)。整個(gè)自動(dòng)換卷程序在輔助PLC中運(yùn)行。 四 總結(jié) 　　該系統(tǒng)自從2007年8月開始投入運(yùn)行，經(jīng)過一段時(shí)間的機(jī)械磨合期，操作人員熟練之后，系統(tǒng)的調(diào)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、調(diào)節(jié)效果、系統(tǒng)穩(wěn)定性等各方面指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足生產(chǎn)的需要 五、本文創(chuàng)新點(diǎn) 　　在紙箱生產(chǎn)線傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用PROFIBUS-DP，利用其在工業(yè)現(xiàn)場的可靠性，靈活性以及方便易用性，特別是PROFIBUS-DP總線其高速通訊性能，靈活的配置組態(tài)，方便地構(gòu)成以上位機(jī)、PLC和多傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成三級控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了速度鏈結(jié)構(gòu)、壓力閉環(huán)控制、張力控制及相關(guān)輔助連鎖控制等控制要求，保證了生產(chǎn)線穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，經(jīng)現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)驗(yàn)效果良好。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 洪亮.瓦楞紙箱工藝 [J].包裝工程，2007，2：282-285 　　[2] 李飛.瓦線的合理利用與技術(shù)改造問題 [J].全球瓦楞工業(yè)，2007，5：75-77 　　[3] 孫平.可編程控制器原理及應(yīng)用.北京:高等教育出版社,2003.1 　　[4] 戎罡，覃強(qiáng). 開放式現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP應(yīng)用簡介[J]. 國外機(jī)電一體化技術(shù), 2001, 20（5）: 54～59 　　[5] FR-A5NP Control & Communication Link System Master/Local Module[M]. 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