基于三種通訊方式的紙張恒張力卷繞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃曉華，曹 娟，王興成

（1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京210094；2.大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧大連116026）

0 引 言

工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備存在著投資高、占地面積大、通用性差等缺陷，難以作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)使用，因此開發(fā)教學(xué)型的自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有一定現(xiàn)實(shí)意義。本文以工業(yè)自動(dòng)化紙張卷繞機(jī)為設(shè)計(jì)藍(lán)本，根據(jù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)多通信方式控制的設(shè)計(jì)要求，研制出了基于Profibus－DP總線、USS串行總線、模擬量3種通訊方式的教學(xué)型紙張恒張力卷繞控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述

該系統(tǒng)以工業(yè)自動(dòng)化紙張收復(fù)卷、傳送機(jī)同步控制系統(tǒng)為設(shè)計(jì)藍(lán)本，包含了放卷、傳送、張力采集、收卷、PLC控制與上位機(jī)組態(tài)等模塊。各模塊之間協(xié)調(diào)運(yùn)作，共同實(shí)現(xiàn)紙張卷繞過程中的恒張力控制。圖1是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。放卷模塊由牽引輥、減速機(jī)、電機(jī)、變頻器組成，采用變頻器控制的三相電機(jī)帶動(dòng)牽引輥，根據(jù)卷繞速度及張力反饋值調(diào)節(jié)牽引輥轉(zhuǎn)速。傳送模塊由傳送輥、浮動(dòng)輥、糾偏輥組成，主要作用是使紙張平滑傳送并對(duì)紙張進(jìn)行糾偏。張力采集模塊由張力傳感器、測(cè)量輥組成，張力傳感器安裝在測(cè)量輥與機(jī)架型材之間，測(cè)量作用于測(cè)量輥上的紙張張力，并反饋給可編程控制器（PLC）以控制牽引輥速度。收卷模塊由卷繞輥、減速機(jī)、電機(jī)、變頻器組成，采用變頻器控制的三相電機(jī)帶動(dòng)收卷輥，根據(jù)設(shè)定的卷繞線速度調(diào)節(jié)卷繞輥轉(zhuǎn)速。PLC控制與上位機(jī)組態(tài)模塊是恒張力卷繞控制系統(tǒng)的核心，它由PLC、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、高速計(jì)數(shù)器模塊、觸摸屏等組成，主要完成系統(tǒng)的通訊、邏輯運(yùn)算、PID控制、人機(jī)信息交互等。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

紙張卷繞過程中需要一定的張力以確保紙張的平整性和卷繞的質(zhì)量。張力是紙張彈性的表現(xiàn)，若控制不均勻，則會(huì)出現(xiàn)紙張斷裂、起皺、松邊等現(xiàn)象，所以需要對(duì)其進(jìn)行控制，以保持其恒定。紙張張力的大小與紙張的彈性系數(shù)以及短時(shí)間內(nèi)紙張的伸長(zhǎng)量有關(guān)。紙張的彈性系數(shù)是由紙張的材質(zhì)決定的，屬于常量；紙張的伸長(zhǎng)量是短時(shí)間內(nèi)牽引輥與卷繞輥的線速度差累積產(chǎn)生的。固而，控制好牽引輥與卷繞輥兩者的線速度差就能實(shí)現(xiàn)紙張的恒張力控制。該系統(tǒng)保持卷繞輥線速度恒定，將紙張的恒張力控制轉(zhuǎn)換為牽引輥速度的控制。圖2是該系統(tǒng)的控制方案流程圖。

由于卷繞時(shí)卷繞輥紙張的半徑是動(dòng)態(tài)變化的，所以若要保持卷繞輥的線速度恒定就必須不斷的根據(jù)卷繞輥的瞬時(shí)半徑調(diào)整卷繞輥的瞬時(shí)理論轉(zhuǎn)速。故而系統(tǒng)采用高速計(jì)數(shù)模塊對(duì)編碼器的脈沖計(jì)數(shù)，根據(jù)高速計(jì)數(shù)模塊反饋的脈沖計(jì)數(shù)值計(jì)算出卷繞輥轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)數(shù)和紙張的瞬時(shí)半徑，進(jìn)而也就得到卷繞輥的瞬時(shí)理論轉(zhuǎn)速。以上的邏輯運(yùn)算是通過PLC的程序塊實(shí)現(xiàn)的。PLC對(duì)卷繞變頻器控制字不斷地修正，及時(shí)將卷繞輥的瞬時(shí)理論轉(zhuǎn)速傳送給變頻器，實(shí)現(xiàn)卷繞輥恒線速度的控制。

圖2 系統(tǒng)的控制方案流程

紙張的恒張力控制主要由PLC內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)位置式PID功能塊實(shí)現(xiàn)的。張力傳感器將測(cè)得的實(shí)際值反饋到可編程控制器中，與張力的理論設(shè)定值相比較，通過PID運(yùn)算得出偏差量。PLC通過該偏差量控制牽引變頻器，實(shí)現(xiàn)紙張的恒張力控制。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的PLC憑借其強(qiáng)大的功能、優(yōu)越的穩(wěn)定性，已在我國(guó)市場(chǎng)上占據(jù)了主導(dǎo)地位。依據(jù)該系統(tǒng)的需求，選用西門子公司300系列的PLC作為系統(tǒng)的控制器，CPU為帶集成DP口的緊湊型313C－2DP。根據(jù)西門子S7－300系統(tǒng)要求，選用智能化的單通道計(jì)數(shù)模塊FM350－1對(duì)編碼器的高頻信號(hào)計(jì)數(shù)，采用TP177B觸摸屏作為人機(jī)界面，并利用西門子通用變頻器MM440對(duì)交流電機(jī)調(diào)速。

從教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求出發(fā)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了Profibus－DP總線、USS串行總線、模擬量3種方式來實(shí)現(xiàn)變頻器與S7－300之間的通訊，操作人員可通過觸摸屏靈活選擇所需的通訊控制方式。觸摸屏作為DP總線的從站，與主站S7－300之間只采用Profibus－DP總線的通訊方式。基于這3種通訊方式的恒張力系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。觸摸屏將紙張卷繞參數(shù)的給定值傳送給S7－300PLC，PLC根據(jù)內(nèi)部邏輯運(yùn)算與PID運(yùn)算的結(jié)果修正變頻器控制字，并將系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)實(shí)際值反饋給觸摸屏。

圖3 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

3.1 Profibus－DP通訊

在變頻器的正面安裝Profibus DP模板，通過RS485串行接口與變頻器實(shí)現(xiàn)Profibus通訊。Profibus－DP高速串行通訊系統(tǒng)是傳感器領(lǐng)域最優(yōu)化的系統(tǒng)，能很好地滿足縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的要求。Profibus－DP按照分布式I/O系統(tǒng)來操作，通過RS485串行總線把各個(gè)站點(diǎn)連接在一起，取代了傳統(tǒng)的布線方式。一個(gè)總線系統(tǒng)最多可以把125個(gè)站點(diǎn)鏈接成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，各站點(diǎn)之間是開放的、透明的，且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非常靈活，可以由一個(gè)主站或多個(gè)主站進(jìn)行操作。選擇Profibus－DP通訊方式時(shí)，變頻器MM440需要設(shè)置的參數(shù)如表1所示。牽引變頻器、卷繞變頻器的Profibus地址分別為3，4，即P0918分別等于3，4。兩個(gè)變頻器的其它參數(shù)值相同。

表1 DP總線通訊方式下MM440參數(shù)的設(shè)置

3.2 USS串行通訊

選用USS串行通訊方式時(shí)，因?yàn)榫o湊型CPU313－2DP不自帶串行通訊接口，所以需要增加CP340串口通訊模塊。串行接口采用RS485雙線連接。通用的串行接口協(xié)議（USS）按照串行總線的主－從通訊原理來確定訪問的方法，總線上可以連接一個(gè)主站和最多31個(gè)從站。主站根據(jù)通訊報(bào)文中的地址字符來選擇要傳輸數(shù)據(jù)的從站，在主站沒有要求它進(jìn)行通訊時(shí)從站本身不能首先發(fā)送數(shù)據(jù)，各個(gè)從站之間也不能直接進(jìn)行信息的傳輸。選擇該通訊方式時(shí)，變頻器MM440需要設(shè)置的參數(shù)如表2所示。USS通訊方式成本相對(duì)DP總線方式較低，但是通訊速率比DP慢，能帶的從站數(shù)少，主站只能有一個(gè)，且各站點(diǎn)之間的靈活性不高。

表2 USS串行通訊方式下MM440參數(shù)的設(shè)置

3.3 模擬量通訊

選擇模擬量通訊方式時(shí)，需要給緊湊型CPU313－2DP增加一個(gè)SM332模擬量輸出模塊。模擬量通訊有電壓信號(hào)與電流信號(hào)兩種調(diào)速方式。一般電壓信號(hào)比電流信號(hào)容易受干擾，優(yōu)先選用電流信號(hào)。變頻器MM440的參數(shù)P0756默認(rèn)值為0，即默認(rèn)電壓信號(hào)對(duì)變頻器調(diào)速，所以選擇電流信號(hào)時(shí)需將P0756設(shè)定為1，并且將I/O控制板上的DIP開關(guān)設(shè)置為ON。S7－300輸出端分配給變頻器的地址如表3所示。PLC與變頻器DIN端子的接線用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)控制；PLC與變頻器AIN端子的接線則用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。該通訊方式下，還需設(shè)置變頻器MM440的參數(shù)P0700＝2、P1000＝2，其它的參數(shù)默認(rèn)即可。模擬量通訊方式成本最低，但是容易受干擾，控制精度不高。

表3 PLC對(duì)變頻器的輸出地址分配

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用西門子S7－300PLC的編程組態(tài)軟件Step7對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，可分為3個(gè)部分：硬件組態(tài)、控制程序、通訊程序。

4.1 硬件組態(tài)

硬件組態(tài)是Step7軟件編程時(shí)不可或缺的一步。硬件組態(tài)就是模擬真實(shí)的PLC硬件系統(tǒng)，將CPU、電源、信號(hào)模塊、通訊處理器和功能模塊等設(shè)備安裝到相應(yīng)的機(jī)架上，并對(duì)PLC硬件模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改。紙張恒張力控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)如圖4所示。觸摸屏選用網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，故不在硬件組態(tài)中顯示。

4.2 控制程序

系統(tǒng)的控制流程如圖5所示。紙張恒張力控制系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化編程方式，根據(jù)該系統(tǒng)的控制流程將總?cè)蝿?wù)分解為若干個(gè)小任務(wù)塊，小任務(wù)塊還可以分解成更小的任務(wù)塊，各任務(wù)塊通過編程指令完成各自的任務(wù)。這樣的編程方式在邏輯上非常清晰，方便了閱讀和調(diào)試。

在給各任務(wù)塊編程時(shí)需要編寫相應(yīng)的程序防止誤操作。例如，變頻器3種通訊方式之間的互鎖功能、手動(dòng)調(diào)試時(shí)牽引變頻器與卷繞變頻器之間的互鎖功能等。同時(shí)，也需要編寫相應(yīng)的程序來保證紙張的卷繞質(zhì)量。例如，當(dāng)張力傳感器檢測(cè)的張力值波動(dòng)范圍超過了張力設(shè)定值的10%時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警并停止運(yùn)行。此時(shí)操作人員需通過手動(dòng)調(diào)節(jié)方式控制牽引變頻器、卷繞變頻器以解除報(bào)警、恢復(fù)運(yùn)行。

4.3 通訊程序

采用Profibus－DP通訊方式時(shí)，首先需要建立數(shù)據(jù)塊，并將數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)地址與從站MM440中的PZD、PKW數(shù)據(jù)區(qū)相對(duì)應(yīng)；然后，在程序中調(diào)用特殊功能塊SFC（”DPWR＿DAT”）實(shí)現(xiàn)主站S7－300對(duì)從站MM440的數(shù)據(jù)寫入。系統(tǒng)調(diào)用程序如下：

采用USS串口通信方式時(shí)，需將硬件組態(tài)時(shí)產(chǎn)生的DRVUSSS7庫(kù)程序拷貝到應(yīng)用程序中，并在OB100暖啟動(dòng)程序中修改相應(yīng)的程序，實(shí)現(xiàn)主站S7－300對(duì)從站 MM440的數(shù)據(jù)傳送。OB100修改后的程序如下：

5 系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)

觸摸屏是人機(jī)界面的發(fā)展方向，是操作人員與PLC之間雙向溝通的橋梁。該系統(tǒng)選用西門子生產(chǎn)的TP177B觸摸屏，并采用配套組態(tài)軟件Wincc flexible進(jìn)行人機(jī)界面編程組態(tài)。首先，安裝Wincc flexible軟件并集成到Step7中，實(shí)現(xiàn)觸摸屏與PLC之間的通信和數(shù)據(jù)交換。然后，在Step7的SIMATIC管理器中創(chuàng)建HMI站對(duì)象，并將其作為DP總線的從站通過網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具NetPro與PLC建立連接。最后，在Wincc flexible中根據(jù)系統(tǒng)的監(jiān)視和操作要求對(duì)系統(tǒng)的界面和變量進(jìn)行編輯組態(tài)。圖6即為該控制系統(tǒng)的人機(jī)界面。首界面包括控制方式的選擇與運(yùn)行模式的選擇；手動(dòng)調(diào)節(jié)界面用于手動(dòng)調(diào)節(jié)模式時(shí)對(duì)變頻器的啟動(dòng)、停止、反向控制；卷繞參數(shù)設(shè)定界面與系統(tǒng)運(yùn)行界面用于自動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)參數(shù)的輸入與運(yùn)行狀況的監(jiān)控。

6 系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行

檢查系統(tǒng)在模擬量、Profibus－DP、USS串行總線3種通訊方式下是否都能夠?qū)崿F(xiàn)紙張卷繞過程中變頻器的無極調(diào)速，以及人機(jī)界面是否可以正確地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。并通過對(duì)系統(tǒng)人機(jī)界面的觀察與操作，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否正確與合理。圖7即為系統(tǒng)調(diào)試成功后正常運(yùn)行狀態(tài)下紙張張力值的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面。

圖6 系統(tǒng)人機(jī)界面

圖7 紙張張力值實(shí)時(shí)監(jiān)控

需要注意的是，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，若由Profibus－DP切換為USS串行通訊方式，則需要暫時(shí)斷開變頻器Profibus DP模塊。因?yàn)閁SS串行通訊需使用變頻器MM440的29、30號(hào)端子，而該端子與Profibus DP模塊在變頻器內(nèi)部使用著同一個(gè)串行通信鏈路，并且Profibus DP通訊模塊具有更高的優(yōu)先級(jí)。

7 結(jié)束語

本文基于西門子S7－300系列PLC、變頻器 MM440、觸摸屏TP177B，以工業(yè)自動(dòng)化紙張卷繞機(jī)為藍(lán)本，設(shè)計(jì)出了教學(xué)型紙張恒張力卷繞控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于采用了3種典型的通訊方式：Profibus－DP、USS串行總線、模擬量。針對(duì)這3種通訊方式，文中給出了具體的硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)，并通過人機(jī)界面編程組態(tài)實(shí)現(xiàn)了3種通訊方式的選擇、參數(shù)輸入以及實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)設(shè)備已經(jīng)在許多院校實(shí)驗(yàn)室被使用，針對(duì)性地培養(yǎng)出大量社會(huì)所需的自動(dòng)化控制類人才。

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