基于S7-200 PLC的紙張復(fù)合機(jī)張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

引言

在紙張復(fù)合機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，張力控制是確保產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。張力不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致紙張出現(xiàn)褶皺、變形甚至斷裂，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。傳統(tǒng)的紙張復(fù)合機(jī)控制系統(tǒng)多采用分散的板卡和總線結(jié)構(gòu)，因年久失修和生產(chǎn)環(huán)境的影響，往往存在系統(tǒng)不穩(wěn)定、控制精度低等問(wèn)題。為此，本文提出了一種基于S7-200 PLC的紙張復(fù)合機(jī)張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，旨在通過(guò)PLC的強(qiáng)大控制能力和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合機(jī)運(yùn)行過(guò)程的恒張力控制。

系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)以西門子S7-200系列PLC為核心控制器，結(jié)合直流電動(dòng)機(jī)、磁粉制動(dòng)器及張力檢測(cè)器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)紙張復(fù)合機(jī)放卷、貼合、印刷、卷取等各個(gè)環(huán)節(jié)的張力控制。系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)采集各段張力數(shù)據(jù)，利用PID算法進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，確保張力恒定，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

主控芯片型號(hào)及作用

S7-200 PLC型號(hào)選擇

西門子S7-200系列PLC是小型、模塊化的可編程控制器，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)合。在本系統(tǒng)中，考慮到控制點(diǎn)數(shù)、運(yùn)算能力及性價(jià)比等因素，選擇CPU226型PLC作為主控芯片。CPU226型PLC具有以下特點(diǎn)：

• 輸入輸出點(diǎn)數(shù)：具有24個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和16個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，滿足系統(tǒng)對(duì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)的基本需求。

• 擴(kuò)展能力：可通過(guò)擴(kuò)展模塊（如EM221、EM223、EM235等）增加輸入輸出點(diǎn)數(shù)和模擬量處理能力，增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。

• 運(yùn)算能力：內(nèi)置高速CPU，支持多種運(yùn)算指令和PID控制算法，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜控制策略的需求。

• 通信能力：支持PPI、MPI等多種通信協(xié)議，便于與上位機(jī)、觸摸屏等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

在設(shè)計(jì)中的作用

1. 邏輯控制：CPU226作為系統(tǒng)的核心控制器，負(fù)責(zé)接收來(lái)自張力檢測(cè)器、編碼器等傳感器的輸入信號(hào)，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略（如PID算法）進(jìn)行邏輯判斷和處理，輸出控制信號(hào)給磁粉制動(dòng)器、直流電動(dòng)機(jī)等執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)紙張復(fù)合機(jī)運(yùn)行過(guò)程的恒張力控制。

2. 數(shù)據(jù)處理：利用PLC的高速運(yùn)算能力，對(duì)采集到的張力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，通過(guò)PID算法計(jì)算出控制量，并調(diào)整執(zhí)行元件的輸出，以維持張力的恒定。同時(shí)，PLC還能對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和故障診斷，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3. 通信與監(jiān)控：CPU226支持多種通信協(xié)議，可方便地與上位機(jī)、觸摸屏等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過(guò)上位機(jī)軟件或觸摸屏界面，操作人員可以實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、張力數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的全面監(jiān)控和管理。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)分為放卷張力從動(dòng)控制和復(fù)合—印刷—收卷張力主動(dòng)控制兩部分。放卷張力控制采用磁粉制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式的恒張力放卷；復(fù)合—印刷—收卷張力控制則通過(guò)調(diào)整復(fù)合輥、印刷輥和收卷輥電機(jī)的速度輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)。

硬件設(shè)計(jì)

1. 張力檢測(cè)器：采用高精度張力檢測(cè)器對(duì)各段張力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸入PLC。

2. 磁粉制動(dòng)器：利用磁粉制動(dòng)器控制放卷過(guò)程的張力。PLC根據(jù)張力偏差量調(diào)整磁粉制動(dòng)器的制動(dòng)電流大小，從而控制剎車輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使放卷張力維持在一定范圍內(nèi)。

3. 直流電動(dòng)機(jī)：采用直流電動(dòng)機(jī)作為拖動(dòng)電機(jī)，通過(guò)直流調(diào)速器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。PLC根據(jù)張力控制需求調(diào)整直流調(diào)速器的輸出參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精確控制。

4. 擴(kuò)展模塊：根據(jù)系統(tǒng)需求選擇相應(yīng)的擴(kuò)展模塊（如EM221、EM223、EM235等）增加輸入輸出點(diǎn)數(shù)和模擬量處理能力。

軟件設(shè)計(jì)

1. 程序結(jié)構(gòu)：軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將程序分為多個(gè)功能模塊（如張力檢測(cè)模塊、PID控制模塊、電機(jī)控制模塊等），便于程序的編寫(xiě)、調(diào)試和維護(hù)。

2. PID控制算法：在張力控制過(guò)程中，采用PID控制算法對(duì)張力偏差量進(jìn)行處理，獲得控制量并驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。通過(guò)調(diào)整PID參數(shù)（比例系數(shù)Kp、積分時(shí)間Ti、微分時(shí)間Td）可以優(yōu)化控制效果，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

3. 故障診斷與報(bào)警：在程序中設(shè)置故障診斷與報(bào)警功能，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一旦發(fā)現(xiàn)異常情況（如張力過(guò)大、過(guò)小、電機(jī)故障等），立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)并采取相應(yīng)的處理措施。

系統(tǒng)實(shí)施與效果

系統(tǒng)實(shí)施

在系統(tǒng)實(shí)施階段，首先需要完成硬件設(shè)備的選型、采購(gòu)與安裝。這包括S7-200 PLC、張力檢測(cè)器、磁粉制動(dòng)器、直流電動(dòng)機(jī)及其調(diào)速器、擴(kuò)展模塊等關(guān)鍵設(shè)備的安裝與接線工作。確保所有設(shè)備按照設(shè)計(jì)圖紙和接線規(guī)范正確安裝，并進(jìn)行初步的電氣測(cè)試，以驗(yàn)證設(shè)備間的通信與控制功能是否正常。

接下來(lái)，進(jìn)行軟件編程與調(diào)試。根據(jù)系統(tǒng)的控制需求，使用西門子STEP 7 Micro/WIN編程軟件對(duì)S7-200 PLC進(jìn)行編程。在編程過(guò)程中，需要編寫(xiě)張力檢測(cè)模塊、PID控制模塊、電機(jī)控制模塊等各個(gè)功能模塊的程序代碼，并設(shè)置合理的PID參數(shù)和控制邏輯。編程完成后，將程序下載到PLC中，進(jìn)行實(shí)際的調(diào)試與測(cè)試。通過(guò)模擬運(yùn)行和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，逐步調(diào)整PID參數(shù)和控制策略，使系統(tǒng)達(dá)到最佳的控制效果。

在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，還需要進(jìn)行人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)?？梢赃x擇西門子Smart 700/1000 IE系列觸摸屏作為人機(jī)交互界面，通過(guò)WinCC flexible軟件進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。在界面上，可以實(shí)時(shí)顯示張力數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)、報(bào)警信息等，并提供操作按鈕和調(diào)節(jié)旋鈕供操作人員使用。通過(guò)觸摸屏界面，操作人員可以方便地監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控。

最后，進(jìn)行系統(tǒng)集成與聯(lián)調(diào)。將PLC、觸摸屏、張力檢測(cè)器、磁粉制動(dòng)器、直流電動(dòng)機(jī)等設(shè)備集成到紙張復(fù)合機(jī)上，進(jìn)行整體的聯(lián)調(diào)與測(cè)試。通過(guò)模擬實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，驗(yàn)證系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性和可靠性是否滿足設(shè)計(jì)要求。

系統(tǒng)效果

基于S7-200 PLC的紙張復(fù)合機(jī)張力控制系統(tǒng)實(shí)施后，取得了顯著的效果：

1. 提高控制精度：采用高精度張力檢測(cè)器和PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紙張復(fù)合機(jī)運(yùn)行過(guò)程的恒張力控制。控制精度顯著提高，張力波動(dòng)范圍大幅減小，有效避免了紙張褶皺、變形和斷裂等問(wèn)題的發(fā)生。

2. 提升生產(chǎn)效率：通過(guò)優(yōu)化控制策略和提高控制精度，降低了生產(chǎn)過(guò)程中的故障率和停機(jī)時(shí)間。同時(shí)，恒定的張力控制使得紙張復(fù)合過(guò)程更加穩(wěn)定可靠，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

3. 增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性：S7-200 PLC具有強(qiáng)大的抗干擾能力和穩(wěn)定性，能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，便于維護(hù)和升級(jí)，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。

4. 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控：通過(guò)觸摸屏界面和通信協(xié)議的支持，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紙張復(fù)合機(jī)運(yùn)行過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。操作人員可以在控制室內(nèi)實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)狀態(tài)、張力數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等，提高了生產(chǎn)管理的便捷性和效率。

5. 降低能耗與成本：通過(guò)精確的張力控制和優(yōu)化的電機(jī)控制策略，降低了系統(tǒng)的能耗和運(yùn)行成本。同時(shí)，減少了因張力控制不當(dāng)導(dǎo)致的紙張浪費(fèi)和停機(jī)損失，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本。

綜上所述，基于S7-200 PLC的紙張復(fù)合機(jī)張力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果，為紙張復(fù)合機(jī)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化、智能化提供了有力的支持。