前 言
由于以紙、塑料薄膜,、復(fù)合材料為包裝材料的生產(chǎn)線得到越來越廣泛的應(yīng)用,，包材的準(zhǔn)確傳送顯得尤為關(guān)鍵，特別是在多級(jí)傳動(dòng)電機(jī)同步運(yùn)行控制中,，各傳動(dòng)電機(jī)在升速或降速的過程中要求多級(jí)傳動(dòng)電機(jī)能夠及時(shí)地同步運(yùn)行,。本文以紙袋糊口機(jī)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)為背景，介紹PLC在同步控制中的應(yīng)用,。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)組成
該生產(chǎn)線利用聚丙烯編織布（PP）,、聚乙烯薄膜（PE）等材料作為制袋布，袋長(zhǎng)760mm,，袋寬630mm。采用4套色印刷,，生產(chǎn)速度60條/分鐘,，包括印刷切斷和成型兩個(gè)工段。印刷切斷工段主要負(fù)責(zé)將編織布卷（PP,、PE）進(jìn)行塑編布的4種顏色的正反面著墨印刷,，印刷后的編織布通過切刀按照設(shè)定的袋長(zhǎng)進(jìn)行切割，配置1個(gè)現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái),、一個(gè)變頻器擴(kuò)展柜（配有2個(gè)變頻器）,；成型工段主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向、施膠,、打開,、糊口、糊底等,，一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái),、一個(gè)繼電器擴(kuò)展柜、一個(gè)變頻器擴(kuò)展柜（配有2個(gè)變頻器）完成控制,。
1.2 硬件構(gòu)成
該項(xiàng)目采用西門子S7-200最新的XP系列的CPU作為主控制單元,，配有6個(gè)A/D、D/A輸入輸出擴(kuò)展模塊,，主要完成現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集,、工程單位變換、回路控制和連鎖控制算法,、控制信號(hào)輸出等功能,；操作界面采用西門子的SIMATIC TPl70B觸摸面板作為人機(jī)界面,，主要完成工藝參數(shù)的顯示、控制參數(shù)的設(shè)置,、控制操作,、歷史數(shù)據(jù)的記錄等。
1.3 軟件組態(tài)
1.3.1 網(wǎng)絡(luò)通訊
在工程網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中,，主控制單元作為上位機(jī),，4臺(tái)變頻器作為下位機(jī)，分別設(shè)置不同的站地址,，使得PLC和變頻器之間建立上,、下位機(jī)關(guān)系。由于 S7-200的XP系列CPU內(nèi)置2個(gè)RS485通訊口,，因此可以將一組通訊口Port 0與觸摸面板進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（PPI）通訊,，另一組通訊口 Port 1作為自由口與變頻器進(jìn)行數(shù)字通訊，即從觸摸面板輸入工藝參數(shù),，由TPl70B經(jīng)過Port 0口傳遞給PLC,，PLC經(jīng)過數(shù)據(jù)運(yùn)算處理通過 Port 1口將數(shù)據(jù)發(fā)送給各個(gè)變頻器來控制各電機(jī)轉(zhuǎn)速，在從變頻器,、溫度變送器等采集有關(guān)數(shù)據(jù),，通過計(jì)算傳給TPl70B進(jìn)行顯示。整個(gè)過程采用每隔 100ms發(fā)送XMT一次,，接受采用接受中斷方式,。在發(fā)送XMT數(shù)據(jù)前關(guān)閉所有接受中斷，發(fā)送后再通過發(fā)送中斷程序打開接受中斷程序,，并關(guān)閉發(fā)送中斷程序,。
1.3.2 程序設(shè)計(jì)
該糊口機(jī)控制系統(tǒng)的程序采用模塊化設(shè)計(jì)，分為主程序,、子程序和中斷程序三大部分,。主程序主要負(fù)責(zé)根據(jù)不同的條件狀態(tài)調(diào)用相應(yīng)的子程序、根據(jù)邏輯位調(diào)用中斷程序等功能,；可以將在多個(gè)地方使用的程序段通過子程序模塊化,，比如采樣子程序、超限報(bào)警子程序,、PID控制于程序等,，在具體使用的地方只需調(diào)用這些子程序，賦予具體的數(shù)據(jù)參量和存儲(chǔ)地址,，這樣可大大提高代碼的使用效率,，并減少了代碼的維護(hù)工作量；中斷程序主要包含PLC和變頻器通訊算法,，同步調(diào)速控制算法,，主要完成印刷切斷部和成型部傳動(dòng)電機(jī)的同步運(yùn)行的功能,。
1.3.3 同步控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
由于該生產(chǎn)線中印刷切斷工段和后面的成型工段分別由兩個(gè)電機(jī)拖動(dòng)，各臺(tái)電機(jī)分別由變頻器調(diào)速驅(qū)動(dòng),，構(gòu)成多單元同步傳動(dòng)系統(tǒng),。將成型工段的主電機(jī)作為主令單元，印刷切斷工段的主電機(jī)作為協(xié)從單元,。工作時(shí),，需要多大的運(yùn)行速度，由主令單元決定和調(diào)整,，生產(chǎn)過程中要求協(xié)從單元協(xié)調(diào)同步,，使切斷的編織布在兩個(gè)工段中保持恒定的線速度。操作員調(diào)節(jié)主令單元速度時(shí),，也要協(xié)從單元能同時(shí)調(diào)整速度,，滿足整機(jī)速度的同步調(diào)整。為此,，我們采用2個(gè)增量式旋轉(zhuǎn)編碼器分別檢測(cè)切刀轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向處傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速,，將編碼器發(fā)出的脈沖送至PLC的高速脈沖計(jì)數(shù)輸入單元I0.0和I0.1，利用高速計(jì)數(shù)器對(duì)編碼器脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),，在給定的采樣時(shí)間中,，PLC將采集到的各單元實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速與設(shè)定運(yùn)行參數(shù)綜合，按既定的同步控制策略進(jìn)行運(yùn)算和控制,，得到各單元電機(jī)的運(yùn)行速度設(shè)定值，再通過 PLC內(nèi)置的RS485接口與變頻器上的MODBUS現(xiàn)場(chǎng)總線通信接口卡之間的現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸給變頻器執(zhí)行,。
在控制策略上,，采用智能補(bǔ)償和傳統(tǒng)PID結(jié)合的控制方法。PID調(diào)節(jié)器具有本質(zhì)的魯棒性,、符合二次型最優(yōu)控制選型原則,、具有智能化的專家特色。同時(shí),，為了保證編碼器傳輸給PLC的高速脈沖個(gè)數(shù)準(zhǔn)確,，確保高速脈沖的個(gè)數(shù)在允許的誤差范圍內(nèi)，使用編碼器的零位脈沖信號(hào)對(duì)其作周期性檢測(cè),，同時(shí)可以通過編程軟件對(duì)CPU的脈沖輸入端口設(shè)置脈沖的捕捉功能,，輸入端的狀態(tài)變化被鎖存并一直保持到下一個(gè)掃描循環(huán)刷新，這樣可以防止脈沖信號(hào)丟失,。
在主令單元和協(xié)從單元間采用同一給定電壓方式的基礎(chǔ)上,，比較兩者的轉(zhuǎn)速，其差值經(jīng)補(bǔ)償器加到協(xié)從單元的控制輸入端,。電機(jī)間的速度協(xié)調(diào)關(guān)系有同步系數(shù)決定,。
其中,，VF為變頻器，ED為編碼器,，CP為補(bǔ)償器,，M為電機(jī)。設(shè)同步速度允許工作帶寬為△ng,，在k時(shí)刻雙驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)際反饋轉(zhuǎn)速分別為 n1（k）,、n2（k），不同電機(jī)要求的工藝速度比值為Kn=N1／N2（N1,、N2分別為兩電機(jī)速度給定值）兩機(jī)異步停車報(bào)警的最大速度為△nmax,，則當(dāng)：
，系統(tǒng)同步正常,，不進(jìn)行同步補(bǔ)償調(diào)節(jié),。
，系統(tǒng)嚴(yán)重不同步,，停車報(bào)警,。
，計(jì)算同步補(bǔ)償量cp,，進(jìn)行同步補(bǔ)償控制,。
由于該系統(tǒng)是定值速度系統(tǒng)，因此Kn=1,，其兩臺(tái)電要同步補(bǔ)償量為：
式中,，cp為從動(dòng)電機(jī)的同步速度補(bǔ)償控制輸出，α（k）,、b（k）,、k為從動(dòng)電機(jī)補(bǔ)償計(jì)算量，其中k由現(xiàn)場(chǎng)工藝決定：
從動(dòng)電機(jī)單閉環(huán)速度調(diào)節(jié)器控制輸出ud（k）采用增量式PID控制規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié),。對(duì)于某一時(shí)刻t,，PLC通過增量式編碼器脈沖定時(shí)計(jì)數(shù)得到電機(jī)的反饋轉(zhuǎn)速n1，n2,，定義同步偏差為e=n1-n2,。
其中，最后可得到同步控制器的輸出從人機(jī)界面的速度歷史曲線上可以得到應(yīng)用PID補(bǔ)償器前后的從動(dòng)電機(jī)速度響應(yīng)曲線,。
加入PID補(bǔ)償控制器后,，起動(dòng)過程跟隨效果較好，消除了超調(diào),，而且上升時(shí)間明顯縮短,，加擾動(dòng)或急停時(shí)仍能保持很好的同步性。
2 結(jié)論
該控制系統(tǒng)在長(zhǎng)春益成包裝廠投入運(yùn)行半年多以來,，整套系統(tǒng)一直運(yùn)行正常,，同步電機(jī)起動(dòng)過程中跟隨性能和穩(wěn)定性能均有明顯的改善,，提高了生產(chǎn)線的運(yùn)行速度和生產(chǎn)效率，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益,，在塑編包裝機(jī)械行業(yè)具有較好的推廣價(jià)值,。