奥越信兼容西门子PLC在纸张复合机控制系统中的应用
奥越信兼容西门子PLC在纸张复合机控制系统中的应用
某印刷厂的台湾产JHML-T1000型湿式复合机原有的微机控制系统, 采用各种板卡（信号采集输入卡、各种控制输出卡、张力控制板、显示卡等）和总线的分散控制结构。因年代久远和生产环境的影响以及没有对生产过程实施有效的 张力控制，引起系统的不稳定。导致产品质量和产量下降。张力控制是整机的核心，也是影响产品质量的主要因素。在复合过程中，张力控制得当，就不会产生纵向 或横向的褶皱，材料本身不会发生塑性形变。在印刷过程中，只要张力稳定，印刷的套准精度和废品率就很容易控制。机器速度越高，张力控制就显得越重要。要得 到高质量的产品，就必须配备功能完善的张力控制系统。因此，对该复合机张力控制系统进行了全面的技术改造：用plc为核心的控制系统取代原有的微机控制系统，以期对该设备进行稳定可靠的张力控制，从而满足生产工艺的需要。
1 系统介绍
复合机张力控制系统结构。整个系统分为放卷、张力从动控制和复合、印刷与卷取主动控制两部分。
1.1 放卷张力从动控制
放卷张力控制分为两段，即纸料与复合辊之间的张力控制和铝箔料与复合辊之间的张力控制。放卷时均采用被动式的恒张力放卷，因此放卷过程中随着卷径的减 小，张力要保持基本恒定，就要由磁粉制动器通过调节传动力矩来满足张力恒定的要求。同时因为这两段的距离比较短，所以张力初始值的设定要小一些。值得注意 的是，料卷越重，放卷张力就越大;卷径相同时，料卷越宽，张力越大。
1.2 复合—印刷—收卷张力控制
复合—印刷—收卷张力是由复合辊、印刷辊和收卷辊之间的速度差造成的。在复合机中，通过调节复合辊电机、印刷辊电机和收卷辊电机的速度输出来达到调节 这部分的张力。除了受速度差的影响外，还与实际基材的伸缩率、厚薄变化、干燥温度、高燥区长度、料带的传输速度等因素有关。如果基材的伸缩率越大，在张力 作用下越容易变形，所以应针对不同材质的基材适当调整整流输出，改变速度差，从而得到一个合适的张力值。如果基材厚度不均匀，复合辊和印刷辊的压力就会波 动，从而造成速度的变化，也影响了张力。如果这部分的张力太小，就会出现褶皱，甚至造成堆积现象。但也不能过大，张力太大会使料带发生变形，甚至出现纵向 皱纹。
2 系统方案
针对原来工控机系 统分立板卡结构的缺陷，采用以PLC为核心的张力控制系统，数字量输入输出采用CPU226自带的输入输出和数字量扩展模块EM221的8路输入和 EM223的16路输入/16路输出实现;模拟量输入采用EM235模块，模拟量输出采用EM235模块和EM232模块。系统总体结构框图如图2所示。 利用2台磁粉制动器控制放卷过程的张力，4路张力检测器实现各段张力的检测输入，3台直流调速器实现对3台拖动直流电机的控制，最后通过PLC完成系统的 逻辑控制。
3 系统硬件
在张力控制系统的设计中，采用奥越信兼容西门子S7-200系列小型PLC作为逻辑控制核心，通过它来控制复合机生产过程中的各个环节。通过对磁粉制动器和直流 拖动电机的控制，实现生产过程恒张力控制。根据复合工艺流程顺序，整个张力控制系统也可以按不同工艺过程分为如下4个部分来处理。
3.1 放卷控制
1、 放卷过程结构
放卷过程张力控制分为两段：纸料与复合辊之间的张力控制和铝箔料与复合辊之间的张力控制。放卷采用被动式的恒张力放卷，因此放卷过程中随着卷径的减小，张力要保持基本恒定，就要由磁粉制动器通过调节制动力矩来满足张力恒定。张力传感器检测负载张力，经过张力信号放大器以后，送到控制器中。控制器综合给定和反馈张力，输出控制信号，经功率放大器驱动磁粉制动器作用到卷轴，形成张力闭环控制系统。
2、 输入输出信号
放卷过程输入输出信号流。装在张力感应辊两端的张力传感器把感应压力转换为电压信号，经过放大变成0～10V标准信号，输入PLC模拟量输 入口。在张力控制过程中，给定值与反馈值比较后，得到一个张力偏差量e（t），经PID算法子程序处理后，获得控制量u（t），经功放后驱动磁粉制动器， 以此控制刹车的制动电流大小，进而控制刹车输出制动转矩，从而使放卷张力维持在一定的范围，实现张力的恒定。
3.2 贴合控制
纸料和铝箔料放卷以后，在牵引力的作用下，分别以料带形式经过导辊。在贴合操作之前，先要进行涂布。涂布就是在料带上涂上类似于胶水的化学物质，这样 才能进行贴合。涂布以后的纸料和铝箔料在牵引力作用下进入贴合辊，在贴合辊和贴合轮的压力和涂布胶水双重作用下，纸料和铝箔料被紧紧地粘在一起，完成贴合 过程。贴合过程对PLC说是开环的。但直流调速器与直流电动机之间是转速、电流双闭环的逻辑无环流控制，这样就保证了电机速度控制的精确性和稳定性，所以 对直流调速器—直流电动机系统来说，仍然是闭环控制。PLC仅仅提供一个速度给定值。
3.3 印刷控制
复合以后的料带通过导辊进入印刷单元，在经过一系列印刷工序处理以后，在牵引辊施加的牵引力作用下，从印刷单元出来，进入下一道工序。在这个过程中， 首先是传感器采集到的张力信号先经过信号变送器的处理，然后进入张力控制器的反馈输入端。在与张力给定值进行比较以后，输出控制信号，控制直流调速器的工 作。直流调速器根据张力控制器的输出，来控制直流电动机的转速，完成印刷过程张力的闭环控制。控制器输入有张力反馈输入和给定输入，控制器输出为速度控制 输出。输入输出信号。
3.4 贴合、印刷、卷取过程电机拖动电路
该系统的电机拖动，采用了奥越信公司的6RA24型全数字直流调速装置作为直流拖动电机的驱动、控制装置。调速系统有4个模拟量输入口，5个模拟量输出口，8个开关量输入和4个开关量输出口，其装置软件很容易替换。使用相当方便。
由于复合机只有短时的正反转，其余均为正转，其短时正反转（点动）可以由接触器来解决。故选择单相限调速器。数字化调速器的控制功能是靠软件来实现的，所以必须进行参数设置。本系统对控制精度无特殊要求，不使用测速接口。
4 系统软件
控制系统主程序流程。
主程序首先是初始化。PLC开机首次扫描，运行开机初始化子程序，通过调用该程序完成系统存储器有关数据的初始化。然后是电源和 故障检测输入部分。如果电源关闭，则程序运行直接转向结束，程序执行完毕;如果电源打开，则程序开始检测故障输入。如果没有故障，则继续下面的扫描;如果 发现故障，则调用报警子程序，然后程序转向结束，程序执行完毕。然后是自动/手动选择。手动操作仅用于调试设备，而自动操作才用于生产。如果是手动，则调 用手动操作子程序。接下来是运行与停车判断。当输入是停车时，则程序执行停车子程序;当输入是运行时，则程序执行运行过程。紧接着就是变速操作。如果系统 给定发生变化，则运行变速子程序，使系统不断靠近而最终达到新的系统速度。最后是张力的PID调节部分。该部分通过控制2台磁粉制动器和2台直流电动机，完成系统的张力控制。
5 结束语
本系统利用 奥越信 兼容西门子S7-200小型PLC作为控制核心，实现了对现场信号的输入和系统的实时控制，保证了响应的稳定性和快速性。软件设计采用模块化设计思想，程序结构清 晰，为以后的维护和改进带来了方便。张力控制系统是整机运行的核心，也是影响产品质量的主要因素。运行结果表明，该复合机张力控制系统运行正常，性能良 好。
