唇板調(diào)節(jié)式橫幅定量控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張根寶，王平，王孟效

（陜西科技大學(xué) 電信學(xué)院，陜西 西安 710021）

唇板調(diào)節(jié)式橫幅定量控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張根寶，王平，王孟效

（陜西科技大學(xué) 電信學(xué)院，陜西 西安 710021）

介紹了以上位機(jī)Wincc和下位機(jī)S7-200系列PLC為核心的橫幅定量控制系統(tǒng)的設(shè)計。采用OPC技術(shù)有效的將QCS系統(tǒng)和橫幅控制系統(tǒng)連接起來。根據(jù)工藝特點和生產(chǎn)要求，采用步進(jìn)電機(jī)控制唇板的開度，有效地控制了橫幅定量。重點論述了步進(jìn)電機(jī)的控制方法和上位機(jī)的通信與監(jiān)控功能。實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)控制精度高，操作簡潔方便，工作穩(wěn)定可靠，能將橫幅定量誤差嚴(yán)格地控制在范圍之內(nèi)。具有推廣價值。

橫幅定量；OPC；步進(jìn)電機(jī)；Wincc

1 引言

定量是紙張質(zhì)量最基本的物理指標(biāo)，定量的穩(wěn)定是成紙質(zhì)量最重要的保證。目前對定量的控制上大都配備了縱向定量控制系統(tǒng)。通過QCS和DCS的閉環(huán)控制能夠達(dá)到良好的控制效果。但隨著車速的提高和紙張橫幅的加大，紙張橫向定量不均勻的問題也日顯突出。為了滿足用戶對紙頁定量的要求，設(shè)計橫幅定量控制系統(tǒng)是必然的趨勢。橫幅定量控制系統(tǒng)目前又分為兩種形式。一種是通過稀釋水流漿箱來實現(xiàn)。一般高速紙機(jī)采用稀釋水流漿箱，由于其唇板是不可調(diào)整的，它的橫幅定量調(diào)整是通過改變各支管的稀釋水的流量大小來實現(xiàn)。另一種應(yīng)用在中低車速的紙機(jī)上，紙頁橫幅定量控制是通過手動調(diào)節(jié)流漿箱唇板開口的大小來實現(xiàn)，是根據(jù)操作工人的經(jīng)驗進(jìn)行調(diào)節(jié)，人為因素影響較大，紙頁的橫幅定量不太穩(wěn)定。

本文闡述的唇板調(diào)節(jié)式橫幅定量控制系統(tǒng)就是應(yīng)用在中低車速的紙機(jī)上。通過在流漿箱上增加橫幅定量控制系統(tǒng)來自動控制唇口的開度。首先QCS控制站通過標(biāo)準(zhǔn)OPC接口將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，PLC輸出控制信號到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)帶動機(jī)械結(jié)構(gòu)對唇板開度進(jìn)行調(diào)整。從而實現(xiàn)橫幅定量一致。

唇板調(diào)節(jié)式橫幅定量控制系統(tǒng)可以動態(tài)地調(diào)節(jié)唇口的開度，實現(xiàn)了橫幅控制的自動化。即不需要人工調(diào)節(jié)唇口開度，又免去了人工操作出現(xiàn)誤差。具有較高的準(zhǔn)確性和適時性。實際應(yīng)用上能將橫幅定量誤差控制在1.5%之內(nèi)。已經(jīng)達(dá)到了國外對流漿箱橫幅定量差的要求。具有推廣價值。

2 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

橫幅定量控制系統(tǒng)主要通過在流漿箱上安裝步進(jìn)電機(jī)來實現(xiàn)唇口開度的自動調(diào)節(jié)。它是由上位機(jī)，控制站和步進(jìn)電機(jī)裝置組成。

系統(tǒng)采用一臺工控機(jī)作為上位機(jī)，組態(tài)軟件為Wincc6.0，通過OPC配置讀取QCS系統(tǒng)的定量數(shù)據(jù)，并向下位機(jī)發(fā)出控制命令。控制站選用SIEMENS S7-200，與上位機(jī)采用Profibus-DP現(xiàn)場總線進(jìn)行通信。PLC發(fā)出脈沖控制信號給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)控制唇板的開度。整個控制系統(tǒng)的流程如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of control system

3 步進(jìn)電機(jī)控制

3.1 步進(jìn)電機(jī)控制策略

控制唇板的開度是通過控制步進(jìn)電機(jī)帶動無間隙機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)的?？稍诹鳚{箱唇板上每間隔100～120mm設(shè)置一拉伸桿，該拉桿采用精密步進(jìn)電機(jī)和無間隙機(jī)構(gòu)拉動進(jìn)行上下調(diào)節(jié)。對此本系統(tǒng)在唇板上安裝了30個步進(jìn)電機(jī)控制裝置對紙張的橫幅進(jìn)行有效的控制。步進(jìn)電機(jī)控制器裝置由3部分組成，分別是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，精密步進(jìn)電機(jī)和無間隙機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)Fig.2 Stepper motor control system

圖2中的S7-200CPU-214PLC作為控制核心部件。它含有高速脈沖輸出功能，可以用來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)收到上位機(jī)給出的信號時，S7-200通過輸出Q0.1和Q0.2兩路高速脈沖到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。其中I0.0和I0.1為上位機(jī)發(fā)出啟停信號，I0.2為上位機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)向信號。可以通過在上位機(jī)上設(shè)置啟停和轉(zhuǎn)向按鈕來實現(xiàn)。驅(qū)動器接受到兩路高速脈沖后驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)啟停和定向控制。其中CP為啟停控制信號，DIR為方向控制信號。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動又帶動無間隙機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)改變唇口開度。

3.2 控制方法的實現(xiàn)

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。一般電動機(jī)是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動是一步一步進(jìn)行的。每輸入一個脈沖電信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度。通過改變脈沖頻率和數(shù)量，即可實現(xiàn)調(diào)速和控制轉(zhuǎn)動的角位移大小。

本文采用PLC與驅(qū)動裝置來控制唇板的開度。首先要考慮PLC200實現(xiàn)高速脈沖輸出功能，再考慮輸出脈沖的頻率以及步進(jìn)電機(jī)的方向。實現(xiàn)高速脈沖輸出功能可在STEP7中進(jìn)行硬件設(shè)置。改變輸出脈沖的頻率以及控制步進(jìn)電機(jī)的方向則需要調(diào)用系統(tǒng)功能塊SFB49。

1）硬件設(shè)置能使通道作為高頻脈沖輸出時的工作模式。要想在對應(yīng)通道產(chǎn)生高頻脈沖，要在CPU的高頻脈沖的屬性設(shè)置中選擇最后一種工作模式：脈寬調(diào)制（pulse-width modulation）。

2）調(diào)用SFB49主要實現(xiàn)2個功能，一是用來控制脈沖輸出或作為數(shù)字量輸出的控制變量；這部分需要通過門功能來實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。另外一部分則是用來修改脈沖參數(shù)：例如脈沖周期，延時時間，最小脈寬等。這部分需要與實際的步進(jìn)電機(jī)參數(shù)相對應(yīng)。

SFB49是通過門功能（gate function）控制高頻脈沖的啟動輸出的。門功能工作過程如圖3所示。

這里采用軟件門控制方法。此時，高頻脈沖輸出單獨由軟件門SW＿EN端控制，即SW＿EN端為“1”時，脈沖輸出指令開始執(zhí)行 ，當(dāng)SW＿EN端為“0”時，高頻脈沖停止輸出。圖4是對SFB49進(jìn)行的參數(shù)設(shè)置。I0.0為軟件門SW＿EN輸入端。STS＿EN為狀態(tài)使能端。其狀態(tài)顯示高頻脈沖輸出的條件是否成立，當(dāng)STS＿EN端的狀態(tài)為“1”時，表示高頻脈沖輸出條件成立。參數(shù)STS＿STRT為硬件門狀態(tài)。參數(shù)STS＿DO為通道的

圖3 門功能工作過程圖Fig.3 The process of achieving the door function

輸出狀態(tài)，即I0.0為1時 M0.2輸出高頻脈沖。I0.0為0時M0.2停止輸出。

圖4 SFB49參數(shù)設(shè)置圖Fig.4 The method of set parameters about SFB49

STS＿DO通道高速脈沖的輸出決定了步進(jìn)電機(jī)的啟停狀態(tài)。通過修改SFB49的脈沖參數(shù)，又可實現(xiàn)STS＿DO通道輸出大小相等的正負(fù)高速脈沖。正脈沖驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，負(fù)脈沖驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。從而實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的啟停和定向控制。

3.3 系統(tǒng)的硬件連接

3.3.1 步進(jìn)電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器連接

本系統(tǒng)選用SH-2H042Ma步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，它為2／4相混合型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。細(xì)分?jǐn)?shù)由撥位開關(guān)設(shè)定（2，4，8）分別對應(yīng)步距角0.9°，0.45°，0.225°。最大相電流輸出為1.7A，工作電壓為DC 24V。步進(jìn)電機(jī)與配套步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的接線較簡單，如圖5所示。

圖5 步進(jìn)電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器連接圖Fig.5 Stepper motor and stepper motor driver connection diagram

3.3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器與PLC連接

PLC與SH-2H042Ma步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器相連時，采用共陽極方式連接，將CP＋和DIR＋接在一起作為共陽端。其中脈沖信號接入CP-端，方向信號接入DIR-端。其接線方式如圖6所示。

圖6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器與PLC連接圖Fig.6 Stepper motor driver and the PLC connection diagram

4 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

4.1 Wincc的通信組態(tài)

Wincc和SIMATIC S7的通信方式有很多種。常用的有MPI PROFIBUS和TCP／IP等?？紤]到上位機(jī)要接收QCS控制站的橫幅定量數(shù)據(jù)，同時通過監(jiān)控操作發(fā)出控制信號傳輸給PLC。這就涉及到第3方PLC的通信和本站PLC的控制。因為不同廠家產(chǎn)品的型號和通信方式不同，所以控制系統(tǒng)采用OPC方式通信。QCS系統(tǒng)和本系統(tǒng)分別建立各自的OPC服務(wù)器。在接受QCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)時，上位機(jī)以客戶端身份訪問QCS系統(tǒng)的服務(wù)器。因為OPC支持Profibus協(xié)議，Wincc與下位機(jī)的通信采用Profibus-DP通信。具體通信組態(tài)過程如下。

1）在QCS和本系統(tǒng)的上位機(jī)上安裝PCAccess軟件，建立各自的OPC Server。當(dāng)Wincc與QCS系統(tǒng)通信時，QCS系統(tǒng)作為服務(wù)器，本系統(tǒng)作為客戶端訪問。

2）服務(wù)器端和客戶端均要進(jìn)行DCOM配置，在上位機(jī)上分別設(shè)置DCOM屬性頁面，安全機(jī)制頁面。在服務(wù)器端需要添加一個管理員用戶和密碼，客戶端要設(shè)置為當(dāng)前用戶。只有雙方配置要求相同才允許客戶端訪問。

3）在上位機(jī)上創(chuàng)建Wincc項目，在變量管理中添加新的驅(qū)動程序，選擇OPC.CHN。右擊可以點開OPC條目管理器，選擇瀏覽服務(wù)器。如果已經(jīng)和QCS部通信成功就可以訪問QCS的服務(wù)器，并且找到其橫幅定量數(shù)據(jù)的地址。

4）在OPC項目下創(chuàng)建 Wincc變量，定義變量名稱和數(shù)據(jù)類型。創(chuàng)建各功能畫面，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的監(jiān)控和操作。

行業(yè)規(guī)范的推進(jìn)不僅約束了經(jīng)營者的行為，還能讓旅游產(chǎn)品和服務(wù)的質(zhì)量有所保證并不斷提高，游客可以在鄉(xiāng)村安心居住，對鄉(xiāng)村旅游的可持續(xù)發(fā)展起到了重要的支撐作用。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)利用組態(tài)軟件Wincc主要是對橫幅定量數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和操作。方便操作人員及時掌握橫幅定量情況并進(jìn)行有效的操作。關(guān)鍵就是由上位機(jī)發(fā)出命令給PLC S7-200，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動從而改變唇板的開度。

4.2.1 橫幅數(shù)據(jù)的顯示

首先要顯示出紙張橫幅的全部概況，QCS系統(tǒng)一個周期掃描定量數(shù)據(jù)200組。利用OPC方式連接到QCS的服務(wù)器可以調(diào)用這200組數(shù)據(jù)。并在Wincc上用趨勢圖顯示出整個橫幅的定量狀態(tài)。

考慮到本系統(tǒng)在唇板上安裝30個步進(jìn)電機(jī)，而QCS橫幅數(shù)據(jù)大多都是200組。要找到具體對應(yīng)的位置是一個難點。其次現(xiàn)場步進(jìn)電機(jī)的表頭范圍是0到5mm，而采集到的定量數(shù)據(jù)范圍是0到27 648，這需要做相應(yīng)的線性標(biāo)定。方法是在Wincc中的全局腳本中建立VB腳本，編寫VB程序。將200個定量數(shù)據(jù)分成30組，并做線性標(biāo)定和平均處理。最后得到的30個數(shù)據(jù)用柱狀圖的形式顯示出來。如圖7所示。

圖7 橫幅數(shù)據(jù)顯示畫面Fig.7 The picture of CD date

4.2.2 操作功能的實現(xiàn)

通過上述步驟上位機(jī)顯示30個柱狀圖與唇板的步進(jìn)電機(jī)位置相對應(yīng)。分別建立30個操作畫面，其包含功能有：顯示當(dāng)前值，步進(jìn)電機(jī)啟停和轉(zhuǎn)向控制，限位量，自動限位開關(guān)和微調(diào)量。

4.2.2.1 人工控制

當(dāng)前值就是線性標(biāo)定后的當(dāng)前定量值。操作員可根據(jù)當(dāng)前值手動操作界面按鈕控制唇口的開度。若當(dāng)前值偏小可按啟動按鈕，步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動增大唇口開度。若當(dāng)前值偏大可按減小和啟動按鈕，步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動減小唇口開度。

4.2.2.2 自動限位控制

為了避免人工操作的失誤，上位機(jī)還增加限位控制功能。即左右定量的差不能超過限位值。如果啟動自動限位功能，則不需要人工操作。一旦定量數(shù)據(jù)與左右相比超出限位范圍，系統(tǒng)將自動啟動或停止步進(jìn)電機(jī)的工作。限位值的大小也可以在Wincc中根據(jù)實際情況進(jìn)行改變。限位控制也是通過在Wincc中編寫VB腳本來實現(xiàn)。具體的思路是：將1到30組當(dāng)前變量值分別記為SV1到SV30，限位值記為XYZ。

其中1號和30號步進(jìn)電機(jī)的自動限位控制可按照下式計算：若滿足上式，則符合限位要求。若不滿足則觸發(fā)啟動或停止按鈕。

以1號電機(jī)為例，若：

要增大唇口開度，則正向啟動步進(jìn)電機(jī)。

要減少唇口開度，反向啟動步進(jìn)電機(jī)。直到滿足式（1）時，停止步進(jìn)電機(jī)。

第2號到第29號步進(jìn)電機(jī)的自動限位控制要參照左右兩者再做比較。

以2號電機(jī)為例，分別計算出：SV1-XYZ，SV3-XYZ，SV1＋XYZ，SV3＋XYZ兩兩取交集，例如則判斷下式是否成立，

若滿足上式，則符合限位要求。若不滿足則同樣觸發(fā)啟動或停止按鈕，

要增大唇口開度，則正向啟動步進(jìn)電機(jī)，

要減少唇口開度，反向啟動步進(jìn)電機(jī)。直到滿足式（1）時，停止步進(jìn)電機(jī)。其他情況同理判斷。

利用上述原理，通過VB腳本在Wincc中編寫程序就可實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的自動控制。避免了人工操作的誤差。

5 結(jié)論

將Wincc軟件成功應(yīng)用于橫幅定量控制系統(tǒng)，利用OPC將QCS系統(tǒng)和橫幅控制系統(tǒng)互相聯(lián)系，并采用步進(jìn)電機(jī)控制唇板的開度，有效地控制了橫幅定量。該系統(tǒng)人機(jī)界面友好、簡潔，可以實現(xiàn)手自動切換，便于用戶操作。從現(xiàn)場使用情況來看，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，減少了橫幅定量的誤差和操作員的工作量，很好地滿足了客戶的要求。

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修改稿日期：2010-11-05

Design and Implementation of CD Base Weight Control System with Lip Adjustment Type

ZHANG Gen-bao，WANG Ping，WANG Meng-xiao

（CollegeofElectricalandInformationTechnology，ShaanxiUniversityofScienceand Technology，Xi’an710021，Shaanxi，China）

The design of CD base weight control system based on wincc and S7-200series PLC was proposed.The CD base weight control system is connected with the QCS（quality control system）system by means of OPC technology.According to the technical characteristics and productional requirements，the CD base weight is controlled effectively by using stepper motor control headbox′s lip.Focuses on the stepping motor control method and the host computer communication and monitoring functions.The practical application shows that the control system has high precision，stability，reliability，and convenient operation.The error of CD base weight can be also strictly controlled within the range.And the system has great promotional value.

cross direction（CD）base weight；OPC（OLE for process control）；stepper motor；Wincc

TP273

A

張根寶（1958-），男，教授，碩士研究生導(dǎo)師，Email：moyuexian＠yahoo.com.cn

2010-08-30