基于S7-200 PLC的紙張復合機張力控制系統(tǒng)設計方案

引言

在紙張復合機生產(chǎn)過程中，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。張力不當會導致紙張出現(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)的紙張復合機控制系統(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、控制精度低等問題。為此，本文提出了一種基于S7-200 PLC的紙張復合機張力控制系統(tǒng)設計方案，旨在通過PLC的強大控制能力和穩(wěn)定性，實現(xiàn)對復合機運行過程的恒張力控制。

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)合直流電動機、磁粉制動器及張力檢測器等設備，實現(xiàn)對紙張復合機放卷、貼合、印刷、卷取等各個環(huán)節(jié)的張力控制。系統(tǒng)通過實時采集各段張力數(shù)據(jù)，利用PID算法進行精確調(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。

主控芯片型號及作用

S7-200 PLC型號選擇

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

• 輸入輸出點數(shù)：具有24個數(shù)字量輸入點和16個數(shù)字量輸出點，滿足系統(tǒng)對輸入輸出點數(shù)的基本需求。

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

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

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

在設計中的作用

1. 邏輯控制：CPU226作為系統(tǒng)的核心控制器，負責接收來自張力檢測器、編碼器等傳感器的輸入信號，根據(jù)預設的控制策略（如PID算法）進行邏輯判斷和處理，輸出控制信號給磁粉制動器、直流電動機等執(zhí)行元件，實現(xiàn)對紙張復合機運行過程的恒張力控制。

2. 數(shù)據(jù)處理：利用PLC的高速運算能力，對采集到的張力數(shù)據(jù)進行實時處理和分析，通過PID算法計算出控制量，并調(diào)整執(zhí)行元件的輸出，以維持張力的恒定。同時，PLC還能對系統(tǒng)狀態(tài)進行監(jiān)測和故障診斷，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

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、觸摸屏等設備進行數(shù)據(jù)交換和遠程監(jiān)控。通過上位機軟件或觸摸屏界面，操作人員可以實時查看系統(tǒng)運行狀態(tài)、張力數(shù)據(jù)、報警信息等，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的全面監(jiān)控和管理。

系統(tǒng)設計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)分為放卷張力從動控制和復合—印刷—收卷張力主動控制兩部分。放卷張力控制采用磁粉制動器實現(xiàn)被動式的恒張力放卷；復合—印刷—收卷張力控制則通過調(diào)整復合輥、印刷輥和收卷輥電機的速度輸出來實現(xiàn)。

硬件設計

1. 張力檢測器：采用高精度張力檢測器對各段張力進行實時檢測，并將檢測信號轉(zhuǎn)換為電信號輸入PLC。

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

3. 直流電動機：采用直流電動機作為拖動電機，通過直流調(diào)速器控制電機的轉(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)，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的精確控制。

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

軟件設計

1. 程序結(jié)構(gòu)：軟件采用模塊化設計思想，將程序分為多個功能模塊（如張力檢測模塊、PID控制模塊、電機控制模塊等），便于程序的編寫、調(diào)試和維護。

2. PID控制算法：在張力控制過程中，采用PID控制算法對張力偏差量進行處理，獲得控制量并驅(qū)動執(zhí)行元件。通過調(diào)整PID參數(shù)（比例系數(shù)Kp、積分時間Ti、微分時間Td）可以優(yōu)化控制效果，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應速度。

3. 故障診斷與報警：在程序中設置故障診斷與報警功能，對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測。一旦發(fā)現(xiàn)異常情況（如張力過大、過小、電機故障等），立即發(fā)出報警信號并采取相應的處理措施。

系統(tǒng)實施與效果

系統(tǒng)實施

在系統(tǒng)實施階段，首先需要完成硬件設備的選型、采購與安裝。這包括S7-200 PLC、張力檢測器、磁粉制動器、直流電動機及其調(diào)速器、擴展模塊等關(guān)鍵設備的安裝與接線工作。確保所有設備按照設計圖紙和接線規(guī)范正確安裝，并進行初步的電氣測試，以驗證設備間的通信與控制功能是否正常。

接下來，進行軟件編程與調(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S7-200 PLC進行編程。在編程過程中，需要編寫張力檢測模塊、PID控制模塊、電機控制模塊等各個功能模塊的程序代碼，并設置合理的PID參數(shù)和控制邏輯。編程完成后，將程序下載到PLC中，進行實際的調(diào)試與測試。通過模擬運行和現(xiàn)場調(diào)試，逐步調(diào)整PID參數(shù)和控制策略，使系統(tǒng)達到最佳的控制效果。

在系統(tǒng)調(diào)試過程中，還需要進行人機交互界面的設計與開發(fā)。可以選擇西門子Smart 700/1000 IE系列觸摸屏作為人機交互界面，通過WinCC flexible軟件進行界面設計。在界面上，可以實時顯示張力數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)、報警信息等，并提供操作按鈕和調(diào)節(jié)旋鈕供操作人員使用。通過觸摸屏界面，操作人員可以方便地監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，調(diào)整控制參數(shù)，實現(xiàn)遠程控制和監(jiān)控。

最后，進行系統(tǒng)集成與聯(lián)調(diào)。將PLC、觸摸屏、張力檢測器、磁粉制動器、直流電動機等設備集成到紙張復合機上，進行整體的聯(lián)調(diào)與測試。通過模擬實際生產(chǎn)過程，驗證系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性和可靠性是否滿足設計要求。

系統(tǒng)效果

基于S7-200 PLC的紙張復合機張力控制系統(tǒng)實施后，取得了顯著的效果：

1. 提高控制精度：采用高精度張力檢測器和PID控制算法，實現(xiàn)了對紙張復合機運行過程的恒張力控制。控制精度顯著提高，張力波動范圍大幅減小，有效避免了紙張褶皺、變形和斷裂等問題的發(fā)生。

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

3. 增強系統(tǒng)穩(wěn)定性：S7-200 PLC具有強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)定運行。同時，系統(tǒng)采用模塊化設計思想，便于維護和升級，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護性。

4. 實現(xiàn)遠程監(jiān)控：通過觸摸屏界面和通信協(xié)議的支持，實現(xiàn)了對紙張復合機運行過程的遠程監(jiān)控和管理。操作人員可以在控制室內(nèi)實時查看系統(tǒng)狀態(tài)、張力數(shù)據(jù)、報警信息等，提高了生產(chǎn)管理的便捷性和效率。

5. 降低能耗與成本：通過精確的張力控制和優(yōu)化的電機控制策略，降低了系統(tǒng)的能耗和運行成本。同時，減少了因張力控制不當導致的紙張浪費和停機損失，進一步降低了生產(chǎn)成本。

綜上所述，基于S7-200 PLC的紙張復合機張力控制系統(tǒng)設計方案在實際應用中取得了良好的效果，為紙張復合機生產(chǎn)過程的自動化、智能化提供了有力的支持。