西門子S7-1200的設計與應用第2講 造紙生產線的速度自動控制

浙江工商職業技術學院 李方園

1 造紙生產線概述

圖1所示為造紙生產線，其自動化控制突出地表現在紙機的傳動控制方面。因為紙種變化，紙機的速比變化較大，漿料配比、不同紙張特性等，使紙機車速需要有較大范圍的調整；同時電網電壓、頻率和負荷的波動，也會引起紙機車速的變化，烘干部各段不同的加熱溫度，都會使紙頁產生縱向的收縮，因此，要求紙機傳動控制系統是一個穩定、精確、同步、協調的變速傳動系統。由于紙機傳動控制目前幾乎毫無例外地采用多點分部傳動的形式，客觀上對自動控制系統提出了快速、精確、穩定和可靠等較高的要求；又因紙機傳動在生產中的特殊重要地位，紙機電氣傳動控制的一般配置由PLC控制單元、變頻器單元等組成。

圖1 造紙生產線現場

由于造紙生產線的產品細薄、脆弱，為了防止紙張出現斷裂、卷曲、褶皺、壓痕，必須對各傳動部分進行高精度的速度控制，以達到高質量的延展特性。造紙機各個部分之間必須采用拉力控制，以使造紙的生產線對應于脫水及干燥度等工藝參數所決定的伸縮性，從而保證了紙張按成紙方向所限定的伸展率進行延展。也就是說，從上漿到上卷的整個過程，要保持紙幅一定的速度級聯（這樣才有拉力）。比如網部傳動設定速度保持在100M/min，那么壓榨部的速度保持在104M/min、前干燥為108M/min、后壓榨110M/min、后干燥112M/min、壓光機115M/min、卷紙機116M/min，為描述上的方便和控制的精度，這里引入速差分步控制的概念。

如傳動M1的速度為V1，傳動M2的速度為V2，M2的速差為D2，則三者的關系為：

V2＝V1 × (1+D2%)

依次類推，每個傳動對應于前面一個傳動都有一個速差值。因此對于各傳動點的設定只要求第一傳動點的速度值（這里稱為基速）和從第二傳動點以后各傳動點的速差值，就可由此計算出每一個傳動的速度設定值，從而形成速度鏈。

2 造紙生產線的控制要求

某生產瓦楞原紙、掛面牛皮紙、箱板紙等的造紙生產線傳動部的PLC控制示意如圖2所示，其中PLC負責變頻器的速度設定和速度反饋部分。傳動部采用交流變頻分部傳動形式，分別由真空回頭輥、壓榨主傳動、烘干傳動、光澤缸、壓光及卷紙等6個傳動點組成，共計363kw，每一臺交流變頻專用電機通過硬齒面齒輪減速箱直接傳動各主動輥或主動齒輪。該生產線設計車速為150m/min。

圖2 某造紙生產線傳動部的PLC控制示意

控制要求如下：

（1）以VF2為總車速的設定點，其他各個傳動點進行同步跟隨，其主要提升、下降要平穩。

（2）每一個傳動根據預先設置的速差，速差控制范圍在正負2%以內。

（3）VF2的總車速設置六個主要的速度段，通過萬能開關進行選擇，分別為25m/min、50 m/min、75m/min、100m/min、125m/min、150m/min，加速度為15m/min。

（4）每個傳動都設置了加速和減速按鈕，其中VF2主傳動為±25m/min之內，每次按鈕的動作為1m/min單位變化，VF1、VF3等其余5個傳動為改變速差，變化單位為0.01%單位變化，不能超出上下限。

3 S7-1200 PLC的硬件配置

根據控制要求，可以進行如圖3所示的硬件配置，它共包括CP1214C DC/DC/DC、SM1234 4*AI/2*AQ、SM1222 8DI/8DO 24VDC、SM1232 2*AQ兩塊。

圖3 設備配置

這里給出了S7-1200 PLC具有模擬量輸入輸出的混合模塊SM1234 AI4*13位/AQ2*14位，其具體接線如圖4所示。

圖4 模擬量輸入輸出混合模塊的電氣接線

4 S7-1200的變量分配與軟件編程

（1）變量分配

根據要求可以定義如表1所示的變量表。具體說明如下：

① 模塊1為CPU，包括主速度設定開關、VF2和VF6調整速度信號、VF5和VF6的頻率反饋輸入；

② 模塊2為模擬量混合模塊，包括4個模擬量輸入為VF1和VF4的頻率反饋輸入，以及VF1和VF2的模擬量輸出；

③ 模塊3為數字量混合模塊，包括VF1、VF3、VF4、VF5的速差信號；

④ 模塊4和模塊5為模擬量輸出，為VF3、VF4、VF5、VF6的模擬量輸出。

表1 變量定義

（2）梯形圖編程

本案例的程序主要分為兩部分，一為上電初始化程序，一為主程序。在S7-1200中上電初始化塊的添加如圖5所示，而OB100上電初始化的具體編程，主要設置主傳動的檔位值為0、主傳動的調整值為0、設老的主速度輸出值為0。

圖5 添加上電初始化塊OB100

主程序OB1塊的梯形圖（略）。

5 結束語

PLC 的擴展模塊是分輸出模塊和輸入模塊的，在PLC主機的輸入或輸出點不夠用的情況下就要用到擴展模塊，主要是擴展PLC的輸出或輸入點數的，還有比如在外圍設備反饋電壓高于PLC的反饋電壓時就要用到繼電器。另外有的I/O信號采用中繼隔離，是為了避免損壞PLC的I/O端口。本案例中，通過選用合理的I/O模塊，完成了造紙機的復雜速度控制。

[1] 李方園. 圖解西門子S7-1200 PLC入門到實踐[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2] 李方園. 自動化綜合實踐[M].北京：中國電力出版社，2009

[3] 李方園. PLC控制技術[M].北京：電子工業出版社，2010