基于PLC的造纸厂物料罐自动化控制系统研究

赵楠

（北京市工贸技师学院，北京 100097）

0 引言

造纸涂料是改善纸张表面性质的重要材料，合理添加造纸涂料是提升纸张生产质量的一项重要手段。传统的涂料添加方式无法灵活调整不同涂料的添加比例，并且无法精确控制涂料添加的时间，物料罐使用频率较低，需要设置较多的物料罐[1-3]。因此，本次研究通过PLC控制技术来对物料罐实施自动化控制，以实现造纸涂料的精确添加。

1 造纸涂料添加的基本流程

本次研究所设计的造纸涂料添加流程如图1所示，造纸涂料分散罐通过阀门连接T1物料罐、T2物料罐和T3物料罐。造纸涂料分散罐内设置有搅拌电机，并且连接多条外部管道，包括蒸汽管、通水管以及连接其他贮罐的管道。造纸涂料经过分散罐的搅拌加工后既可以经由HS-M104阀门进入存贮罐T2，也可以经由HS-M102阀门进入存贮罐T1，也可以经由HS-M103阀门进入存贮罐T3。存贮罐T3以出口阀门为结点与PGR1泵和PGR2泵相连接，PGR1泵和PGR2泵又分别以GR1和GR2两个球磨机为结点与存贮罐T4相连接。T3存贮罐连接有蒸汽管、通水管以及与其他存贮罐相联通的管道，并且罐内设置有搅拌电机，在导入热水后能够对造纸涂料实施二次加工。存贮罐T3内的造纸涂料可以经由HS-T301阀门与GPR1泵和GPR2泵进入GR1和GR2两个球磨机，充分研磨造纸涂料，最终进入存贮罐T4。

图1 物料罐系统工艺流程

2 控制方案设计

本次研究所设计的造纸厂物料罐自动化控制系统以PLC控制模块为硬件核心，并且包含阀门、球磨机、水泵、软启动、变频器、温度传感器以及低压电器等主要硬件，具体硬件结构如图2所示。

图2 系统硬件结构

出于调速和节能等方面的考虑，本次研究通过变频器来对球磨机和水泵的频率进行控制，即根据实际的负载需求，对这些设备的输出功率进行调整，进而更加高效地利用电机的输出能量。由于物料罐内的搅拌机无需调速，因此直接通过软启动实施控制。每一个物料罐内都安装有温度传感器，可以在对物料罐内温度进行检测的同时将温度模拟信号转换为数据信号并将其上传至PCL控制器[4-6]。

2.1 硬件应用方案

本次研究所设计的造纸厂物料罐自动化控制系统采用来自德国SIEMENS公司的6ES7132-7GD30-0AB0型PLC作为控制器，该PLC控制器触摸屏、数据路由和多层网络的无缝集成，可实现跨多层网络的远程设备访问、诊断和组态[7-8]。

造纸厂物料罐自动化控制系统需要两路模拟量温度信号，温度模拟量信号来自于模拟量输入模块，模块量信号的转换则由温度传感器负责处理。本次研究采用来自美Rockwell Allen-Bradley公司的1502-ND4模拟量处理模块，该模块A/D的转换时间为100μs，通道数字分辨率为16位，支持四路模拟量信号输入，并且能够在数字信号与模块信号之间建立光电隔离。由于该控制系统只涉及少量的数字量点，因此决定采用Allen-Bradley公司的1769-OB16输出模块和1769-IQ16输入模块[9-11]。

变频器在PLC的调整下可以对球磨机和水泵实施控制，本次研究采用来自罗克韦尔公司的SMC-Flex型软启动以及来自罗克韦尔公司的PowerFlex753型变频器，该变频器具有良好的调速与节能性能。在DeviceNet网络的支持下，PLC能够实现对于变频器的控制并对相关的数据进行实时读取，进而获取变频器的功率、力矩、频率以及转速等信息[12-13]。软启动控制模式则相对简单，只需要通过硬接线的方式连接PLC即可实现针对软启动的启停控制。

2.2 系统运行方案设计

造纸厂物料罐自动化控制的运行程序主要由流程控制、温度控制和初始化三个部分所构成，其中温度控制则是与系统稳定性相关的一项关键因素。

系统初始化具体负责对与物料罐相关的各种信号进行处理，比如：启动前应具备的各种初始信号、急停信号以及启动信号等，进而实现对于设备启动、停止、程序转换等方面的控制。

造纸工艺对于物料罐温度控制的要求比较严重，因此本次研究采用1769-L31 PLC自带的PID指令。

在设定温度SP小于实际测量温度PV值的情况下，PID参数会针对偏差ERROR做出调整，加大冷却水阀门开度，减小蒸汽阀门开度，进而降低物料罐内的温度；在设定温度SP大于实际测量温度PV值的情况下，PID参数同样会针对偏差ERROR做出调整，减小冷却水阀门开度，加大蒸汽阀门开度，进而提高物料罐内的温度。

PID投入前须整定调节器的微分时间（Derivative Time）、积分时间（Integral Gain）与比例系数（Proportional Gain），改善调节器的动态响应和静态特征。实际工程上往往根据以往的操作经验确定一组固定的参数，并依照反应曲线的变化状况对参数进行调整，通常设定微分时间为0.02、积分时间为0.02、比例系数为0.4，可达到比较理想的调节效果。

3 通讯方案设计

造纸厂物料罐自动化控制系统的通信设计主要采集在PLC与变频器之间的通信，本次研究借由DeviceNet网络实现变频器与PLC之间的双向通讯。在实施网络组态之前，首先要确定所有DeviceNet通讯速率和节点地址正确，并将终端电阻接好，操作过程具体如下：

（1）正确连接PLC和操作站计算机并安装全部相关软件。

（2）于RSLinx下对DeviceNet驱动程序DeviceNet Driver进行配置。

（3）于Logix5000下对1769-SDN模块进行配置。

（4）于RsNetWork for DeviceNet下确定设备运行参数并对DeviceNet网络进行配置。

（5）在节点设备上下载设备配置参数，并在1769-SDN中对配置文件加以保存。

（6）于Logix5000下对变频器的读写程序进行编写，实现变频器、SDN和PLC三者之间的数据交换。

4 结语

本文根据造纸厂物料罐添加造纸涂料的一般流程专门设计了一套基于PLC的造纸厂物料罐自动化控制系统，并详细介绍了相应的软、硬件设计方案。在未来的研究工作中，还需要进一步加强用于物料罐操作的图形化设计，进一步提升造纸涂料添加的实时性与灵活性。