基于PLC和触摸屏技术的纸机多段速度控制系统设计

高 俊

(浙江科技学院机械与汽车学院，浙江杭州，310023)

基于PLC和触摸屏技术的纸机多段速度控制系统设计

高 俊

(浙江科技学院机械与汽车学院，浙江杭州，310023)

设计了一种基于PLC和触摸屏技术的纸机多段速度控制系统。该系统以PLC为核心，对传感器采集的纸机实时数据进行存储、计算及传输，控制纸机的运行状态。同时与触摸屏进行通信，将纸机运行数据以动态图的形式显示，并接受触摸屏给定的工艺参数来控制执行元件，实现了操作人员与纸机的人机对话功能。通过模拟调试，该系统操作简单，智能化程度高，提高了产品质量及生产效率，并在一定程度上降低了能耗。

纸机传动系统;多段速度控制;组态软件;PLC;触摸屏;变频器

传统的纸机大都采用多电机分部传动，在每一个传动分部安装交流电机，采用交流多点传动方式，工作强度大，智能化程度低，操作复杂，实时控制差，降低了纸张的产量和质量，影响了企业的经济效益和社会效益。因此，研究并设计一种新的纸机控制模式具有一定的现实意义。基于PLC和触摸屏技术的纸机传动多段速度控制系统能满足目前国内中小型造纸企业的纸机改造和升级的需求，在保证经济性的前提下，能很大地提升纸机系统的稳定性、灵活性、可靠性和节能性［1-2］。

1 纸机多段速度控制系统的性能要求

根据纸机的运行需要，其传动控制部分必须满足以下要求。

(1)纸机速度链控制

根据造纸工艺的要求，为了保证纸张在整个抄造过程中能顺利传送，各传动分部间要求达到线速度比例协调，即相邻两个分部间的线速度比值应保持恒定。否则，将使得生产无法正常进行，产品质量下降。同时，这种比例协调应具有微调功能 (速度微调范围通常在±5%)，以调节相邻两分部间的速差，避免纸张在传递过程中的松弛或绷紧现象，并且速度微调应该灵敏、可靠，不应在调节过程中有明显的滞后现象［3］。

(2)速度控制

在纸机的运行过程中，传统纸机可能会由于各种原因造成传动部分速度变化，从而导致纸机上的纸张出现薄厚不均、断纸等现象。因此，控制系统能根据所生产的不同纸张改变纸机各分部电机的速度要求，通过对变频电机设置参数值进行优化处理，准确调整速度，提高静态和动态的控制精度，避免断纸，提高生产效率。

(3)负荷分配控制

长网纸机网部有真空伏辊和驱网辊2个传动点，利用2台不同容量的电动机驱动同一张网，各传动点之间不是刚性的硬连接，而是通过网之间的一种软性接触，这就必然会出现各台电机之间的负荷分配问题，若处理不当就会造成一台电机过负荷，而另一台电机甚至处于发电状态，被拖动，电流反向。负荷分配的原则理论上是要求各个传动点表面辊筒的线速度一致。但由于各传动点的电动机功率不同，所驱动辊筒的直径不同，包角不同，因而具体的分配原则也不同。典型的长网纸机在网部驱网辊 (主传动)与真空伏辊 (从传动)的负荷分配一般为 6∶4。

2 纸机多段速度控制系统的功能要求及构建

2.1 纸机多段速度控制系统的功能要求

(1)纸机速度控制及动态显示

由于各分部传送着生产过程中的纸张，根据造纸工艺的要求，应该保持后一级张力略大于前一级，需要各分部间线速度比例协调控制，高精度、可靠地保持这个比例系数就能保证产品产量与质量。各分部独立控制，且具有灵敏的微升、微降及绷紧等调节功能，便于调节前后两分部间的速差，避免纸张在传送过程中的过度松弛或绷紧断纸现象。采用触摸屏结合PLC来完成速度链的控制，便于实现变频器给定的数字化控制，提高稳定性。

(2)主从负荷分配控制及显示

在纸机传动控制中多个传动点带动一块网布或多个传动对象，相互施压合成一定力矩且同步运转，要使各关联传动电机根据各自的配置按比例合理承担功率输出，需采用负荷分配控制形式。如果负荷分配调节不好，将会造成整个负荷环路各传动点负载失衡，线速不同步而无法正常运行。

(3)采用触摸屏控制，操作方便

采用人机接口，可以直观地了解设备运行的参数及状况，操作简单，便于调试。

2.2 纸机多段速度控制系统的构建

本课题所设计的纸机多段速度控制系统拟采用三级控制结构，如图1所示。由上位机、触摸屏、PLC和变频电机组成一套自动控制系统［4-5］。

图1 纸机传动控制系统结构

纸机传动控制系统第1级由上位机通过PLC改变变频器的设置，实现对变频交流电机的速度及纸带张力等参数的控制。

第2级为PLC控制器。纸机传动控制系统的速度链控制、速度控制、负荷分配控制和软启动控制等，都必须由PLC通过指令完成动作。操作台配置智能化操作面板与PLC实现高速数据通信。在系统运行时，PLC控制器接受从上位机获得的操作指令，通过给定程序对操作进行逻辑计算之后，将结果传达给变频器。

第3级为触摸屏和上位机。通过组态软件EB500软件构建触摸屏的操作界面和框架，并最终使得对纸机的各项操作能直接通过触摸屏的简单界面来设定和执行，并能直观地从触摸屏上显示纸机运行的状态和必要的数据。同时，通过上位机可以对系统的运行情况进行实时监控，保证和维护程序的正常运行。

2.3 纸机多段速度控制系统的硬件设计

采用PLC作为控制系统的核心，对传感器采集的纸机实时数据进行存储、计算及传输，控制纸机的运行状态。同时与触摸屏进行通信，将纸机运行数据以动态图的形式显示，并接受触摸屏给定的工艺参数来控制执行元件，实现了操作人员与纸机的人机对话功能。PLC控制系统原理图如图2所示。

在纸机开始运行之前，PLC(FX2N-485BD)与触摸屏 (GOT)通过RS-232通信进行工艺参数 (主电机速度、速比、负荷分配等)设定，PLC对于给定的工艺参数进行存储。运行过程中，PLC接受传感器的反馈信号，并将纸机的运行状态参数反馈到触摸屏实现在线监控。传感器检测信号通过编码器存储到PLC中通过计算，由4D/A模块输出控制变频电机，驱动纸辊实现变速。速度的调整通过触摸屏在线修改，提高了系统的工作效率，同时也保证了各纸辊间速度的比值恒定，以达到张力恒定的目的。

图2 PLC控制系统原理图

3 纸机多段速度控制系统的硬件通信接口设计［6-8］

在纸机传动控制系统中，PLC作为系统最核心的部件，各个设备之间的数据传输通信运用RS-232通道、RS-422通道或RS-485通道进行，而且利用计算机进行管理、显示、编程及参数修改。又由于RS-232、RS-422及RS-485各有特点，而设备又不可能配置所有的通信接口，计算机一般配置为RS-232接口，PLC配置的是RS-422接口，而变频器配置的是RS-485接口。因此，在不同的接口之间必须通过转换器或者通信模块进行连接，只有配备必须的硬件之后，通信才能正常地工作。

3.1 上位机与PLC的硬件接口设计及通信

由于目前计算机都是RS-232通信口，而三菱FX型PLC的通信口目前是RS-422，所以计算机与三菱FX型PLC之间的通信必须采用带有RS-232/422转换的SC-09专用通信电缆，如图3所示。

3.2 PLC与触摸屏的硬件接口设计及通信

三菱FX2N系列PLC都可以通过CPU单元上的编程通信端口RS-422 COM与GOT触摸屏连接，也可以通过通信接口板232BD或者485BD来连接。三菱PLC的编程通信口是一个8针Din圆形母座。接口传输关系如图4所示。触摸屏下载程序时应设置以下通信参数:波特率为38400baud;有效字节为低字节;数据位为8;校验方式为偶校验;PLC站号地址为1。

3.3 PLC与变频器的硬件接口设计及通信

通信接线如图5所示，RJ45水晶头插入变频器的PU接口 (也可通过变频器通信板FR-A5NR接线)，另一端的对应信号线接在FX2N-485-BD上［9］。

图3 上位机与PLC接口

4 触摸屏人机“对话”设计

控制系统通过GOT90触摸屏与PLC建立通信而实现了“人机对话”，以EB500组态软件设计监控系统界面如图6所示。当系统开机时，进入系统控制的主界面。界面分上、中、下3部分，上面部分为传动系统运行图;中间部分为电机驱动辊的实时运行状态，从左至右分别为胸辊、伏辊、第1正压辊和第2正压辊，图6所示状态为初始状态;下面部分为控制电机的启动和停止按钮。启动方式设自动方式和手动方式，两种方式通过中间的切换开关来切换。自动控制的顺序为按下启动按钮后，4个电机按第2正压辊、第1正压辊、伏辊、胸辊依次启动;按下停止按钮时，4个电机按胸辊、伏辊、第1正压辊、第2正压辊依次停止，这样做可以保证纸机启动和停止时的稳定性。右边的手动控制主要为了便于停机检测。在安全性能上，软件还设计了锁键盘及密码保护等相应的操作权限。

点击view按钮，弹出快速窗口栏，点击速度显示，即可进入纸机传动控制系统的电机运行速度显示，如图7所示。点击频率设置，可弹出纸机控制系统的变频器调速页面，如图8所示。通过右边的增加和减少按钮，可对变频器的频率进行设置。相关参数可通过元件属性设置框设置［10］。

5 基于PLC和触摸屏的控制系统实现

5.1 硬件组成

采用三菱 FX2N-485BD系列 PLC，GOT90系列触摸屏，二者采用RS-232通信。控制系统的基本输入/输出地址如表1所示。

5.2 PLC的编程与调试

表1 I/O接口分配

三菱FX2N系列可编程控制器采用三菱编程软件GX Delevloper Ver.7进行编程和调试。GX Delevloper Ver.7是三菱公司设计的在Windows环境下使用的PLC编程软件，它能完成各个系列PLC的梯形图、指令表等功能［11］。本课题采用模块化结构编程，其中重要的模块为启动与停止、频率与速度的调整和运行速度显示。具体的程序流程图如图9所示。

图9 程序流程图

PLC的程序应完成以下几个功能:

(1)传动系统的启动和停止。当点击触摸屏的传动系统启动或者停止按钮时，各个电机的启动时间之间应该具有一定的延迟性，压榨部的电机应当优先于网部的电机启动，通过延迟保证系统的安全启动和停止，并保证纸机的稳定运行和产品质量。

(2)传动系统通过触摸屏对变频器进行频率和速度的调整。

(3)通过触摸屏显示纸机设备的运行速度。

6 结语

本控制系统采用组态软件EB500和触摸屏GOT90组成一套纸机传动控制系统，通过PLC、变频器和GOT90之间的通信，控制多个传动点的启动、停止、增速、减速、紧纸等操作，同时由软件自动实现负荷分配、速度链等功能，充分满足了造纸工艺及电气控制的需要，实现了造纸设备运行的自动检测、超限报警、自停等，使生产设备能严格按照设定的工艺要求，以定性、定量、规范化的方式运行，极大地保证和提高了产品质量和生产效率。利用触摸屏的操作方便，性能稳定，画面简易等特性，使纸机传动控制系统的可操作性大大增加，便于技术人员进行调整和维护。同时，由于采用了变频器交流电机分级传动控制，大大降低了机械损耗，而且由于交流变频传动系统在运行时一部分变频器处于发电状态，进一步节省了电能，降低了能耗。

本课题所设计的控制系统通过模拟运行调试，得到了预期的效果，降低了纸张的不均匀度和断纸率，提高了产品的质量，同时在线监控系统也提升了整机的智能化水平。

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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，讲师;主要从事机电一体化及自动化控制的教学与研究工作。

(E-mail:gj887@163．com)

2010-12-31

浙江省教育厅项目 (Y200906873);浙江科技学院院基金项目 (200726)。

(责任编辑:赵旸宇)