基于PLC的造紙機控制系統(tǒng)設(shè)計分析

【摘 要】PLC即Programmable Logic Controller的縮寫，指的是可編程邏輯的控制器。PLC在應(yīng)用的時候具有編程簡單、使用方便、性價比高、功能強以及可靠性和抗干擾的能力強等特點。因此，目前PLC已經(jīng)成功應(yīng)用于各種控制器中。本文首先對PLC進行了分析，然后基于PLC的基礎(chǔ)上，對造紙機的控制系統(tǒng)進行了設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】PLC；造紙機；控制系統(tǒng)；設(shè)計

當(dāng)前，伴隨著PLC與變頻器價格的下降，在造紙機的控制系統(tǒng)中，通過應(yīng)用PLC和變頻器對造紙機的控制系統(tǒng)進行設(shè)計，能夠有效的提高造紙機工作的穩(wěn)定性，提高造紙機產(chǎn)量，同時還可以達到降低成本的目的。變頻器相信人們已經(jīng)非常熟悉，但是什么是PLC呢，下面就讓筆者首先分析一下PLC。

1 PLC簡介

PLC指的是可編程邏輯的控制器，它一般采用的是能夠編程的存儲器，多用于進行儲存內(nèi)部的程序，能夠執(zhí)行順序控制、計數(shù)、邏輯運算以及算術(shù)操作等，面向用戶的指令。這種控制器能夠通過模擬或數(shù)字式的輸出、輸入，進而達到控制各種生產(chǎn)過程或各種機械的目的。一般來說，PLC主要包括電源、中央處理單元、存儲器以及輸入和輸出的接口電路等。隨著PLC性能的不斷完善，在應(yīng)用的過程中，PLC具有以下幾個鮮明的特點。

首先，PLC具有編程簡單，使用方便的特點。PLC采用的是比較簡明的邏輯圖、語句表以及梯形圖等來編程語言，而不是使用復(fù)雜的計算機知識，所以，在編程的時候非常的簡單。而且PLC實現(xiàn)了在線修改程序，大大的方便了控制系統(tǒng)。

其次，PLC具有性價比高、功能強的特點。PLC內(nèi)有無數(shù)個方便用戶用的編程元件，能夠進行非常復(fù)雜的控制工作，與其他的控制器相比較，性價比更高，功能更加的強大，可以通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)分散控制和集中管理。

再次，PLC的抗干擾能力非常的強，具有較高的可靠性。PLC進行了一系列的軟件和硬件抗干擾的措施，因此，在抗干擾的能力方面非常的強。一般來說，PLC的平均年無故障時間高達數(shù)萬小時，具有較高的可靠性。

此外，PLC還具有使用方便，適應(yīng)性強，硬件配套齊全，維修方便等特點。

2 基于PLC的造紙機控制系統(tǒng)的設(shè)計

本文主要是在1092型單杠單網(wǎng)的毛布造紙機的基礎(chǔ)上，對這種造紙機的控制系統(tǒng)進行的設(shè)計。這種造紙機在正常運行時對于控制系統(tǒng)的要求主要有：造紙機的轉(zhuǎn)動系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備一定的快速動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)速精度；在爬行速度方面多以可調(diào)的15～30m/min的爬行速度為主，工作的速度具備均勻、較寬的調(diào)節(jié)范圍；部分部件應(yīng)當(dāng)具備顯示、微降、微升的功能等。基于PLC，對造紙機的控制系統(tǒng)進行設(shè)計，應(yīng)當(dāng)包括兩個方面的設(shè)計，即硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面。

首先，在造紙機的控制系統(tǒng)的硬件選擇和設(shè)計方面。造紙機控制系統(tǒng)的硬件主要由系統(tǒng)的響應(yīng)時間、控制精度、可靠性和性價比所決定的。我們設(shè)計的控制系統(tǒng)主要是交流變頻轉(zhuǎn)動的三級控制的方式。控制系統(tǒng)的第一級是驅(qū)動級，主要采用了西門子生產(chǎn)的6SE6440-2UD315DB1變頻器?？刂葡到y(tǒng)的第二級是PLC的控制系統(tǒng)，PLC是三凌機電生產(chǎn)的型號為FX2N-26MR-2AD-2DA的PLC?？刂葡到y(tǒng)的第三級是上位操作系統(tǒng)，使用的是三菱生產(chǎn)的F940GOT-LWD-E觸摸屏，在該屏上可以實現(xiàn)增加速度、降低速度，啟動和停止等操作，而且還可以顯示造紙機的控制系統(tǒng)的運行情況。造紙機控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，見圖1。

該系統(tǒng)選用的的PLC帶有2路12位的ADC、26路I/O、2路12位的DAC、以及RS232C的通信接口一體化的、小型的可編程的控制器。這款PLC是我國自主研發(fā)的性價比和可靠性非常的高，抗干擾的能力也非常的強的PLC。而且，該PLC在編程軟件上能夠兼容三菱的FXGP_WIN-C梯形圖軟件，寄存的程序容量可以達到8000步。造紙機在造紙的過程中，非常重要的一個環(huán)節(jié)便是紙張的干燥。解決這一問題的關(guān)鍵便是有效的控制造紙機的烘缸供氣系統(tǒng)，讓烘缸內(nèi)的溫度，遵循一定的變化曲線。為了有效的對烘缸表面的溫度進行測量，選用了慈溪市智能儀器公司的WRNM-201R直柄式滾筒式的表面熱電偶。這種熱電偶的分辨率是1℃，量程是0～300℃，誤差范圍在±1%FS。

其次，在造紙機的控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計上。PLC基礎(chǔ)上的控制程序，在設(shè)計的時候，采用了模塊化的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的功能通過子程序，實時的進行調(diào)用。一般來說，子程序采用了循環(huán)掃描的方式，來處理溫度數(shù)據(jù)和控制按鍵等，以此來提高整個程序的效率。子程序在通用性的要求上比較高，而且還應(yīng)當(dāng)具備一定的智能性和保護功能。

基于PLC的控制系統(tǒng)在程序的設(shè)計上，主要利用了PLC具備的PID的控制算法。PLC本身便形成了PID的控制算法的軟件模塊。烘缸一般是大慣性、大滯后環(huán)節(jié)的控制目標，當(dāng)系統(tǒng)存在著非常大的干擾或其設(shè)定的值有大幅度的升降的時候，在積分項的作用下，由于偏差非常的大，就會出現(xiàn)長時間的震蕩或較大的超調(diào)。本系統(tǒng)主要采用的是積分分離的位置式的PID算法，和Bang2Bang控制結(jié)合的辦法。當(dāng)存在著較大的偏差的時候，積分的作用便取消了，當(dāng)偏差比較小的時候，才可以加入積分。程序設(shè)計的過程中，將數(shù)值分成四個部分來考慮，具體見圖2。

在該控制系統(tǒng)中，當(dāng)溫度低于下限的時候，數(shù)值便可以滿量程輸出，也就是說在當(dāng)前的周期里，閥門可以開到最大。當(dāng)溫度高于高限的時候，數(shù)值便零輸出，也就是說在當(dāng)前的周期里，閥門應(yīng)當(dāng)開到最小。當(dāng)溫度在底限和高限之間的時候，便自動進入PID的軟件模塊，為了防止超調(diào)過大，會首先執(zhí)行PD控制的算法，如果誤差比閥值小，然后再執(zhí)行PID的控制算法。PID的運算結(jié)果決定著輸出的數(shù)值，進而決定著閥門開度。

基于PLC的造紙機的控制系統(tǒng)，在進行系統(tǒng)調(diào)試的時候，主要采用的是現(xiàn)場軟件調(diào)試的方法。首先，驗證PLC動作和觸摸屏是不是正常。當(dāng)啟動控制系統(tǒng)的時候，在觸摸屏上進行加速與減速按鈕的操作，看變頻器是不是按照要求來發(fā)出動作指令，其動作的速度是不是顯示為正常。然后，驗證烘缸溫度的控制，啟動造紙機以后，觸摸屏上能夠顯示烘缸當(dāng)前的溫度，當(dāng)啟動PID程序以后，觀察溫度能不能快速而準確的保持在一個設(shè)定值內(nèi)。

3 結(jié)語

綜上所述，本文首先介紹了PLC，然后分析了基于PLC，造紙機的控制系統(tǒng)的設(shè)計及其系統(tǒng)調(diào)試等問題。通過對造紙機控制系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試，大大的提高了造紙機的自動化程度，而且造紙機的產(chǎn)量也明顯的提高了，在節(jié)能方面，效果也非常的明顯。同時，該控制系統(tǒng)也顯著的降低了造紙機的維修次數(shù)，有效的節(jié)約了成本，值得在造紙機改造中廣泛應(yīng)用。

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