基于PLC的造紙廠物料罐自動(dòng)化控制系統(tǒng)研究

趙楠

（北京市工貿(mào)技師學(xué)院，北京 100097）

0 引言

造紙涂料是改善紙張表面性質(zhì)的重要材料，合理添加造紙涂料是提升紙張生產(chǎn)質(zhì)量的一項(xiàng)重要手段。傳統(tǒng)的涂料添加方式無(wú)法靈活調(diào)整不同涂料的添加比例，并且無(wú)法精確控制涂料添加的時(shí)間，物料罐使用頻率較低，需要設(shè)置較多的物料罐[1-3]。因此，本次研究通過(guò)PLC控制技術(shù)來(lái)對(duì)物料罐實(shí)施自動(dòng)化控制，以實(shí)現(xiàn)造紙涂料的精確添加。

1 造紙涂料添加的基本流程

本次研究所設(shè)計(jì)的造紙涂料添加流程如圖1所示，造紙涂料分散罐通過(guò)閥門(mén)連接T1物料罐、T2物料罐和T3物料罐。造紙涂料分散罐內(nèi)設(shè)置有攪拌電機(jī)，并且連接多條外部管道，包括蒸汽管、通水管以及連接其他貯罐的管道。造紙涂料經(jīng)過(guò)分散罐的攪拌加工后既可以經(jīng)由HS-M104閥門(mén)進(jìn)入存貯罐T2，也可以經(jīng)由HS-M102閥門(mén)進(jìn)入存貯罐T1，也可以經(jīng)由HS-M103閥門(mén)進(jìn)入存貯罐T3。存貯罐T3以出口閥門(mén)為結(jié)點(diǎn)與PGR1泵和PGR2泵相連接，PGR1泵和PGR2泵又分別以GR1和GR2兩個(gè)球磨機(jī)為結(jié)點(diǎn)與存貯罐T4相連接。T3存貯罐連接有蒸汽管、通水管以及與其他存貯罐相聯(lián)通的管道，并且罐內(nèi)設(shè)置有攪拌電機(jī)，在導(dǎo)入熱水后能夠?qū)υ旒埻苛蠈?shí)施二次加工。存貯罐T3內(nèi)的造紙涂料可以經(jīng)由HS-T301閥門(mén)與GPR1泵和GPR2泵進(jìn)入GR1和GR2兩個(gè)球磨機(jī)，充分研磨造紙涂料，最終進(jìn)入存貯罐T4。

圖1 物料罐系統(tǒng)工藝流程

2 控制方案設(shè)計(jì)

本次研究所設(shè)計(jì)的造紙廠物料罐自動(dòng)化控制系統(tǒng)以PLC控制模塊為硬件核心，并且包含閥門(mén)、球磨機(jī)、水泵、軟啟動(dòng)、變頻器、溫度傳感器以及低壓電器等主要硬件，具體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

出于調(diào)速和節(jié)能等方面的考慮，本次研究通過(guò)變頻器來(lái)對(duì)球磨機(jī)和水泵的頻率進(jìn)行控制，即根據(jù)實(shí)際的負(fù)載需求，對(duì)這些設(shè)備的輸出功率進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而更加高效地利用電機(jī)的輸出能量。由于物料罐內(nèi)的攪拌機(jī)無(wú)需調(diào)速，因此直接通過(guò)軟啟動(dòng)實(shí)施控制。每一個(gè)物料罐內(nèi)都安裝有溫度傳感器，可以在對(duì)物料罐內(nèi)溫度進(jìn)行檢測(cè)的同時(shí)將溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號(hào)并將其上傳至PCL控制器[4-6]。

2.1 硬件應(yīng)用方案

本次研究所設(shè)計(jì)的造紙廠物料罐自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用來(lái)自德國(guó)SIEMENS公司的6ES7132-7GD30-0AB0型PLC作為控制器，該P(yáng)LC控制器觸摸屏、數(shù)據(jù)路由和多層網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫集成，可實(shí)現(xiàn)跨多層網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程設(shè)備訪問(wèn)、診斷和組態(tài)[7-8]。

造紙廠物料罐自動(dòng)化控制系統(tǒng)需要兩路模擬量溫度信號(hào)，溫度模擬量信號(hào)來(lái)自于模擬量輸入模塊，模塊量信號(hào)的轉(zhuǎn)換則由溫度傳感器負(fù)責(zé)處理。本次研究采用來(lái)自美Rockwell Allen-Bradley公司的1502-ND4模擬量處理模塊，該模塊A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs，通道數(shù)字分辨率為16位，支持四路模擬量信號(hào)輸入，并且能夠在數(shù)字信號(hào)與模塊信號(hào)之間建立光電隔離。由于該控制系統(tǒng)只涉及少量的數(shù)字量點(diǎn)，因此決定采用Allen-Bradley公司的1769-OB16輸出模塊和1769-IQ16輸入模塊[9-11]。

變頻器在PLC的調(diào)整下可以對(duì)球磨機(jī)和水泵實(shí)施控制，本次研究采用來(lái)自羅克韋爾公司的SMC-Flex型軟啟動(dòng)以及來(lái)自羅克韋爾公司的PowerFlex753型變頻器，該變頻器具有良好的調(diào)速與節(jié)能性能。在DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的支持下，PLC能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于變頻器的控制并對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取，進(jìn)而獲取變頻器的功率、力矩、頻率以及轉(zhuǎn)速等信息[12-13]。軟啟動(dòng)控制模式則相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要通過(guò)硬接線的方式連接PLC即可實(shí)現(xiàn)針對(duì)軟啟動(dòng)的啟停控制。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行方案設(shè)計(jì)

造紙廠物料罐自動(dòng)化控制的運(yùn)行程序主要由流程控制、溫度控制和初始化三個(gè)部分所構(gòu)成，其中溫度控制則是與系統(tǒng)穩(wěn)定性相關(guān)的一項(xiàng)關(guān)鍵因素。

系統(tǒng)初始化具體負(fù)責(zé)對(duì)與物料罐相關(guān)的各種信號(hào)進(jìn)行處理，比如：?jiǎn)?dòng)前應(yīng)具備的各種初始信號(hào)、急停信號(hào)以及啟動(dòng)信號(hào)等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)于設(shè)備啟動(dòng)、停止、程序轉(zhuǎn)換等方面的控制。

造紙工藝對(duì)于物料罐溫度控制的要求比較嚴(yán)重，因此本次研究采用1769-L31 PLC自帶的PID指令。

在設(shè)定溫度SP小于實(shí)際測(cè)量溫度PV值的情況下，PID參數(shù)會(huì)針對(duì)偏差ERROR做出調(diào)整，加大冷卻水閥門(mén)開(kāi)度，減小蒸汽閥門(mén)開(kāi)度，進(jìn)而降低物料罐內(nèi)的溫度；在設(shè)定溫度SP大于實(shí)際測(cè)量溫度PV值的情況下，PID參數(shù)同樣會(huì)針對(duì)偏差ERROR做出調(diào)整，減小冷卻水閥門(mén)開(kāi)度，加大蒸汽閥門(mén)開(kāi)度，進(jìn)而提高物料罐內(nèi)的溫度。

PID投入前須整定調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間（Derivative Time）、積分時(shí)間（Integral Gain）與比例系數(shù)（Proportional Gain），改善調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)特征。實(shí)際工程上往往根據(jù)以往的操作經(jīng)驗(yàn)確定一組固定的參數(shù)，并依照反應(yīng)曲線的變化狀況對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通常設(shè)定微分時(shí)間為0.02、積分時(shí)間為0.02、比例系數(shù)為0.4，可達(dá)到比較理想的調(diào)節(jié)效果。

3 通訊方案設(shè)計(jì)

造紙廠物料罐自動(dòng)化控制系統(tǒng)的通信設(shè)計(jì)主要采集在PLC與變頻器之間的通信，本次研究借由DeviceNet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)變頻器與PLC之間的雙向通訊。在實(shí)施網(wǎng)絡(luò)組態(tài)之前，首先要確定所有DeviceNet通訊速率和節(jié)點(diǎn)地址正確，并將終端電阻接好，操作過(guò)程具體如下：

（1）正確連接PLC和操作站計(jì)算機(jī)并安裝全部相關(guān)軟件。

（2）于RSLinx下對(duì)DeviceNet驅(qū)動(dòng)程序DeviceNet Driver進(jìn)行配置。

（3）于Logix5000下對(duì)1769-SDN模塊進(jìn)行配置。

（4）于RsNetWork for DeviceNet下確定設(shè)備運(yùn)行參數(shù)并對(duì)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置。

（5）在節(jié)點(diǎn)設(shè)備上下載設(shè)備配置參數(shù)，并在1769-SDN中對(duì)配置文件加以保存。

（6）于Logix5000下對(duì)變頻器的讀寫(xiě)程序進(jìn)行編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)變頻器、SDN和PLC三者之間的數(shù)據(jù)交換。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)造紙廠物料罐添加造紙涂料的一般流程專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一套基于PLC的造紙廠物料罐自動(dòng)化控制系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了相應(yīng)的軟、硬件設(shè)計(jì)方案。在未來(lái)的研究工作中，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)用于物料罐操作的圖形化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升造紙涂料添加的實(shí)時(shí)性與靈活性。