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基于PLC和觸摸屏技術(shù)的紙機(jī)多段速度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2011-11-22 01:56
中國(guó)造紙 2011年5期
關(guān)鍵詞:紙機(jī)觸摸屏傳動(dòng)

高 俊

(浙江科技學(xué)院機(jī)械與汽車學(xué)院,浙江杭州,310023)

基于PLC和觸摸屏技術(shù)的紙機(jī)多段速度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高 俊

(浙江科技學(xué)院機(jī)械與汽車學(xué)院,浙江杭州,310023)

設(shè)計(jì)了一種基于PLC和觸摸屏技術(shù)的紙機(jī)多段速度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PLC為核心,對(duì)傳感器采集的紙機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算及傳輸,控制紙機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)與觸摸屏進(jìn)行通信,將紙機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)以動(dòng)態(tài)圖的形式顯示,并接受觸摸屏給定的工藝參數(shù)來(lái)控制執(zhí)行元件,實(shí)現(xiàn)了操作人員與紙機(jī)的人機(jī)對(duì)話功能。通過(guò)模擬調(diào)試,該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單,智能化程度高,提高了產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率,并在一定程度上降低了能耗。

紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng);多段速度控制;組態(tài)軟件;PLC;觸摸屏;變頻器

傳統(tǒng)的紙機(jī)大都采用多電機(jī)分部傳動(dòng),在每一個(gè)傳動(dòng)分部安裝交流電機(jī),采用交流多點(diǎn)傳動(dòng)方式,工作強(qiáng)度大,智能化程度低,操作復(fù)雜,實(shí)時(shí)控制差,降低了紙張的產(chǎn)量和質(zhì)量,影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此,研究并設(shè)計(jì)一種新的紙機(jī)控制模式具有一定的現(xiàn)實(shí)意義?;赑LC和觸摸屏技術(shù)的紙機(jī)傳動(dòng)多段速度控制系統(tǒng)能滿足目前國(guó)內(nèi)中小型造紙企業(yè)的紙機(jī)改造和升級(jí)的需求,在保證經(jīng)濟(jì)性的前提下,能很大地提升紙機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性、可靠性和節(jié)能性[1-2]。

1 紙機(jī)多段速度控制系統(tǒng)的性能要求

根據(jù)紙機(jī)的運(yùn)行需要,其傳動(dòng)控制部分必須滿足以下要求。

(1)紙機(jī)速度鏈控制

根據(jù)造紙工藝的要求,為了保證紙張?jiān)谡麄€(gè)抄造過(guò)程中能順利傳送,各傳動(dòng)分部間要求達(dá)到線速度比例協(xié)調(diào),即相鄰兩個(gè)分部間的線速度比值應(yīng)保持恒定。否則,將使得生產(chǎn)無(wú)法正常進(jìn)行,產(chǎn)品質(zhì)量下降。同時(shí),這種比例協(xié)調(diào)應(yīng)具有微調(diào)功能 (速度微調(diào)范圍通常在±5%),以調(diào)節(jié)相鄰兩分部間的速差,避免紙張?jiān)趥鬟f過(guò)程中的松弛或繃緊現(xiàn)象,并且速度微調(diào)應(yīng)該靈敏、可靠,不應(yīng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中有明顯的滯后現(xiàn)象[3]。

(2)速度控制

在紙機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中,傳統(tǒng)紙機(jī)可能會(huì)由于各種原因造成傳動(dòng)部分速度變化,從而導(dǎo)致紙機(jī)上的紙張出現(xiàn)薄厚不均、斷紙等現(xiàn)象。因此,控制系統(tǒng)能根據(jù)所生產(chǎn)的不同紙張改變紙機(jī)各分部電機(jī)的速度要求,通過(guò)對(duì)變頻電機(jī)設(shè)置參數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化處理,準(zhǔn)確調(diào)整速度,提高靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的控制精度,避免斷紙,提高生產(chǎn)效率。

(3)負(fù)荷分配控制

長(zhǎng)網(wǎng)紙機(jī)網(wǎng)部有真空伏輥和驅(qū)網(wǎng)輥2個(gè)傳動(dòng)點(diǎn),利用2臺(tái)不同容量的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)同一張網(wǎng),各傳動(dòng)點(diǎn)之間不是剛性的硬連接,而是通過(guò)網(wǎng)之間的一種軟性接觸,這就必然會(huì)出現(xiàn)各臺(tái)電機(jī)之間的負(fù)荷分配問(wèn)題,若處理不當(dāng)就會(huì)造成一臺(tái)電機(jī)過(guò)負(fù)荷,而另一臺(tái)電機(jī)甚至處于發(fā)電狀態(tài),被拖動(dòng),電流反向。負(fù)荷分配的原則理論上是要求各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)表面輥筒的線速度一致。但由于各傳動(dòng)點(diǎn)的電動(dòng)機(jī)功率不同,所驅(qū)動(dòng)輥筒的直徑不同,包角不同,因而具體的分配原則也不同。典型的長(zhǎng)網(wǎng)紙機(jī)在網(wǎng)部驅(qū)網(wǎng)輥 (主傳動(dòng))與真空伏輥 (從傳動(dòng))的負(fù)荷分配一般為 6∶4。

2 紙機(jī)多段速度控制系統(tǒng)的功能要求及構(gòu)建

2.1 紙機(jī)多段速度控制系統(tǒng)的功能要求

(1)紙機(jī)速度控制及動(dòng)態(tài)顯示

由于各分部傳送著生產(chǎn)過(guò)程中的紙張,根據(jù)造紙工藝的要求,應(yīng)該保持后一級(jí)張力略大于前一級(jí),需要各分部間線速度比例協(xié)調(diào)控制,高精度、可靠地保持這個(gè)比例系數(shù)就能保證產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量。各分部獨(dú)立控制,且具有靈敏的微升、微降及繃緊等調(diào)節(jié)功能,便于調(diào)節(jié)前后兩分部間的速差,避免紙張?jiān)趥魉瓦^(guò)程中的過(guò)度松弛或繃緊斷紙現(xiàn)象。采用觸摸屏結(jié)合PLC來(lái)完成速度鏈的控制,便于實(shí)現(xiàn)變頻器給定的數(shù)字化控制,提高穩(wěn)定性。

(2)主從負(fù)荷分配控制及顯示

在紙機(jī)傳動(dòng)控制中多個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)帶動(dòng)一塊網(wǎng)布或多個(gè)傳動(dòng)對(duì)象,相互施壓合成一定力矩且同步運(yùn)轉(zhuǎn),要使各關(guān)聯(lián)傳動(dòng)電機(jī)根據(jù)各自的配置按比例合理承擔(dān)功率輸出,需采用負(fù)荷分配控制形式。如果負(fù)荷分配調(diào)節(jié)不好,將會(huì)造成整個(gè)負(fù)荷環(huán)路各傳動(dòng)點(diǎn)負(fù)載失衡,線速不同步而無(wú)法正常運(yùn)行。

(3)采用觸摸屏控制,操作方便

采用人機(jī)接口,可以直觀地了解設(shè)備運(yùn)行的參數(shù)及狀況,操作簡(jiǎn)單,便于調(diào)試。

2.2 紙機(jī)多段速度控制系統(tǒng)的構(gòu)建

本課題所設(shè)計(jì)的紙機(jī)多段速度控制系統(tǒng)擬采用三級(jí)控制結(jié)構(gòu),如圖1所示。由上位機(jī)、觸摸屏、PLC和變頻電機(jī)組成一套自動(dòng)控制系統(tǒng)[4-5]。

圖1 紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)第1級(jí)由上位機(jī)通過(guò)PLC改變變頻器的設(shè)置,實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻交流電機(jī)的速度及紙帶張力等參數(shù)的控制。

第2級(jí)為PLC控制器。紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的速度鏈控制、速度控制、負(fù)荷分配控制和軟啟動(dòng)控制等,都必須由PLC通過(guò)指令完成動(dòng)作。操作臺(tái)配置智能化操作面板與PLC實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),PLC控制器接受從上位機(jī)獲得的操作指令,通過(guò)給定程序?qū)Σ僮鬟M(jìn)行邏輯計(jì)算之后,將結(jié)果傳達(dá)給變頻器。

第3級(jí)為觸摸屏和上位機(jī)。通過(guò)組態(tài)軟件EB500軟件構(gòu)建觸摸屏的操作界面和框架,并最終使得對(duì)紙機(jī)的各項(xiàng)操作能直接通過(guò)觸摸屏的簡(jiǎn)單界面來(lái)設(shè)定和執(zhí)行,并能直觀地從觸摸屏上顯示紙機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)和必要的數(shù)據(jù)。同時(shí),通過(guò)上位機(jī)可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,保證和維護(hù)程序的正常運(yùn)行。

2.3 紙機(jī)多段速度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

采用PLC作為控制系統(tǒng)的核心,對(duì)傳感器采集的紙機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算及傳輸,控制紙機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)與觸摸屏進(jìn)行通信,將紙機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)以動(dòng)態(tài)圖的形式顯示,并接受觸摸屏給定的工藝參數(shù)來(lái)控制執(zhí)行元件,實(shí)現(xiàn)了操作人員與紙機(jī)的人機(jī)對(duì)話功能。PLC控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

在紙機(jī)開始運(yùn)行之前,PLC(FX2N-485BD)與觸摸屏 (GOT)通過(guò)RS-232通信進(jìn)行工藝參數(shù) (主電機(jī)速度、速比、負(fù)荷分配等)設(shè)定,PLC對(duì)于給定的工藝參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)。運(yùn)行過(guò)程中,PLC接受傳感器的反饋信號(hào),并將紙機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)反饋到觸摸屏實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控。傳感器檢測(cè)信號(hào)通過(guò)編碼器存儲(chǔ)到PLC中通過(guò)計(jì)算,由4D/A模塊輸出控制變頻電機(jī),驅(qū)動(dòng)紙輥實(shí)現(xiàn)變速。速度的調(diào)整通過(guò)觸摸屏在線修改,提高了系統(tǒng)的工作效率,同時(shí)也保證了各紙輥間速度的比值恒定,以達(dá)到張力恒定的目的。

圖2 PLC控制系統(tǒng)原理圖

3 紙機(jī)多段速度控制系統(tǒng)的硬件通信接口設(shè)計(jì)[6-8]

在紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)中,PLC作為系統(tǒng)最核心的部件,各個(gè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸通信運(yùn)用RS-232通道、RS-422通道或RS-485通道進(jìn)行,而且利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理、顯示、編程及參數(shù)修改。又由于RS-232、RS-422及RS-485各有特點(diǎn),而設(shè)備又不可能配置所有的通信接口,計(jì)算機(jī)一般配置為RS-232接口,PLC配置的是RS-422接口,而變頻器配置的是RS-485接口。因此,在不同的接口之間必須通過(guò)轉(zhuǎn)換器或者通信模塊進(jìn)行連接,只有配備必須的硬件之后,通信才能正常地工作。

3.1 上位機(jī)與PLC的硬件接口設(shè)計(jì)及通信

由于目前計(jì)算機(jī)都是RS-232通信口,而三菱FX型PLC的通信口目前是RS-422,所以計(jì)算機(jī)與三菱FX型PLC之間的通信必須采用帶有RS-232/422轉(zhuǎn)換的SC-09專用通信電纜,如圖3所示。

3.2 PLC與觸摸屏的硬件接口設(shè)計(jì)及通信

三菱FX2N系列PLC都可以通過(guò)CPU單元上的編程通信端口RS-422 COM與GOT觸摸屏連接,也可以通過(guò)通信接口板232BD或者485BD來(lái)連接。三菱PLC的編程通信口是一個(gè)8針Din圓形母座。接口傳輸關(guān)系如圖4所示。觸摸屏下載程序時(shí)應(yīng)設(shè)置以下通信參數(shù):波特率為38400baud;有效字節(jié)為低字節(jié);數(shù)據(jù)位為8;校驗(yàn)方式為偶校驗(yàn);PLC站號(hào)地址為1。

3.3 PLC與變頻器的硬件接口設(shè)計(jì)及通信

通信接線如圖5所示,RJ45水晶頭插入變頻器的PU接口 (也可通過(guò)變頻器通信板FR-A5NR接線),另一端的對(duì)應(yīng)信號(hào)線接在FX2N-485-BD上[9]。

圖3 上位機(jī)與PLC接口

4 觸摸屏人機(jī)“對(duì)話”設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)通過(guò)GOT90觸摸屏與PLC建立通信而實(shí)現(xiàn)了“人機(jī)對(duì)話”,以EB500組態(tài)軟件設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖6所示。當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)時(shí),進(jìn)入系統(tǒng)控制的主界面。界面分上、中、下3部分,上面部分為傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行圖;中間部分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)輥的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài),從左至右分別為胸輥、伏輥、第1正壓輥和第2正壓輥,圖6所示狀態(tài)為初始狀態(tài);下面部分為控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止按鈕。啟動(dòng)方式設(shè)自動(dòng)方式和手動(dòng)方式,兩種方式通過(guò)中間的切換開關(guān)來(lái)切換。自動(dòng)控制的順序?yàn)榘聪聠?dòng)按鈕后,4個(gè)電機(jī)按第2正壓輥、第1正壓輥、伏輥、胸輥依次啟動(dòng);按下停止按鈕時(shí),4個(gè)電機(jī)按胸輥、伏輥、第1正壓輥、第2正壓輥依次停止,這樣做可以保證紙機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)的穩(wěn)定性。右邊的手動(dòng)控制主要為了便于停機(jī)檢測(cè)。在安全性能上,軟件還設(shè)計(jì)了鎖鍵盤及密碼保護(hù)等相應(yīng)的操作權(quán)限。

點(diǎn)擊view按鈕,彈出快速窗口欄,點(diǎn)擊速度顯示,即可進(jìn)入紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的電機(jī)運(yùn)行速度顯示,如圖7所示。點(diǎn)擊頻率設(shè)置,可彈出紙機(jī)控制系統(tǒng)的變頻器調(diào)速頁(yè)面,如圖8所示。通過(guò)右邊的增加和減少按鈕,可對(duì)變頻器的頻率進(jìn)行設(shè)置。相關(guān)參數(shù)可通過(guò)元件屬性設(shè)置框設(shè)置[10]。

5 基于PLC和觸摸屏的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

5.1 硬件組成

采用三菱 FX2N-485BD系列 PLC,GOT90系列觸摸屏,二者采用RS-232通信。控制系統(tǒng)的基本輸入/輸出地址如表1所示。

5.2 PLC的編程與調(diào)試

表1 I/O接口分配

三菱FX2N系列可編程控制器采用三菱編程軟件GX Delevloper Ver.7進(jìn)行編程和調(diào)試。GX Delevloper Ver.7是三菱公司設(shè)計(jì)的在Windows環(huán)境下使用的PLC編程軟件,它能完成各個(gè)系列PLC的梯形圖、指令表等功能[11]。本課題采用模塊化結(jié)構(gòu)編程,其中重要的模塊為啟動(dòng)與停止、頻率與速度的調(diào)整和運(yùn)行速度顯示。具體的程序流程圖如圖9所示。

圖9 程序流程圖

PLC的程序應(yīng)完成以下幾個(gè)功能:

(1)傳動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止。當(dāng)點(diǎn)擊觸摸屏的傳動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)或者停止按鈕時(shí),各個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間之間應(yīng)該具有一定的延遲性,壓榨部的電機(jī)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先于網(wǎng)部的電機(jī)啟動(dòng),通過(guò)延遲保證系統(tǒng)的安全啟動(dòng)和停止,并保證紙機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量。

(2)傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)觸摸屏對(duì)變頻器進(jìn)行頻率和速度的調(diào)整。

(3)通過(guò)觸摸屏顯示紙機(jī)設(shè)備的運(yùn)行速度。

6 結(jié)語(yǔ)

本控制系統(tǒng)采用組態(tài)軟件EB500和觸摸屏GOT90組成一套紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng),通過(guò)PLC、變頻器和GOT90之間的通信,控制多個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的啟動(dòng)、停止、增速、減速、緊紙等操作,同時(shí)由軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配、速度鏈等功能,充分滿足了造紙工藝及電氣控制的需要,實(shí)現(xiàn)了造紙?jiān)O(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)檢測(cè)、超限報(bào)警、自停等,使生產(chǎn)設(shè)備能嚴(yán)格按照設(shè)定的工藝要求,以定性、定量、規(guī)范化的方式運(yùn)行,極大地保證和提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。利用觸摸屏的操作方便,性能穩(wěn)定,畫面簡(jiǎn)易等特性,使紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的可操作性大大增加,便于技術(shù)人員進(jìn)行調(diào)整和維護(hù)。同時(shí),由于采用了變頻器交流電機(jī)分級(jí)傳動(dòng)控制,大大降低了機(jī)械損耗,而且由于交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)一部分變頻器處于發(fā)電狀態(tài),進(jìn)一步節(jié)省了電能,降低了能耗。

本課題所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)通過(guò)模擬運(yùn)行調(diào)試,得到了預(yù)期的效果,降低了紙張的不均勻度和斷紙率,提高了產(chǎn)品的質(zhì)量,同時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)也提升了整機(jī)的智能化水平。

[1] 丁 斐,歐陽(yáng)小平,楊華勇.國(guó)產(chǎn)造紙機(jī)的發(fā)展歷程及趨勢(shì)[J].流體傳動(dòng)與控制,2009(2):1.

[2] 李明輝,李春英,李 艷,等.基于VB與PLC串行通訊的設(shè)計(jì)及在造紙廠中的應(yīng)用[J].中國(guó)造紙,2004,23(12):42.

[3] 王紅艷,吳彥銳,陳景文.造紙機(jī)速度鏈的設(shè)計(jì)與工作原理[J].黑龍江造紙,2007(1):42.

[4] 王子文,駱建華.用PLC和變頻器實(shí)現(xiàn)同步傳動(dòng)控制[J].紙和造紙,2003,7(4):36.

[5] 崔劍平,趙 振,王秋敏.PLC和觸摸屏在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2007(8):160.

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[8] 周志敏,周繼海,紀(jì)愛(ài)華.變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與維護(hù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2007.

[9] 日本三菱公司.FR-A500使用手冊(cè)[S].2000.

[10] 陳景文,吳彥銳,王紅艷.造紙機(jī)常用變頻器的主要參數(shù)和設(shè)置方法[J].變頻器世界,2005(9):84.

[11] 三菱公司.三菱微型可編程控制器使用手冊(cè)[S].2002.

Design of Paper Machine Multi-speed Control System Based on PLC and Touch Screen Technique

GAO Jun
(School of Mechanical and Automotive Engineering,Zhejiang University of Science & Technology,Hangzhou,Zhejiang Province,310024)

Most of the traditional paper machines are driven divisionally by multi-motor,with low intellectual faculties,poor real-time control,low precision and efficiency.In order to overcome these shortcomings,the paper put forward a control system based on PLC and touch screen.The PLC is the core of the system,which stores,computes and transmits the real-time data collected from paper machine with the sensor to control the machine running.At the same time to communicate with the touch screen,the machine operating data is displayed in the form of a dynamic figure,and the preset parameters on the touch screen were accepted to control the executive component to realize“manmachine dialogue”function between the operators and the paper machine.The simulation commission proves,the system is simple and high intelligence,its application improves product quality and production efficiency,and to some extent,reduces energy loss.

paper machine drive system;multi-speed control;configuration software;PLC;touch screen;inverter

TP273

B

0254-508X(2011)05-0048-05

高 俊先生,講師;主要從事機(jī)電一體化及自動(dòng)化控制的教學(xué)與研究工作。

(E-mail:gj887@163.com)

2010-12-31

浙江省教育廳項(xiàng)目 (Y200906873);浙江科技學(xué)院院基金項(xiàng)目 (200726)。

(責(zé)任編輯:趙旸宇)

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