西门子S7300PLC在包装机同步控制系统中的应用.pdf

西门子S7300PLC在包装机同步控制系统中的应用第六图书馆介绍了西门子S7_300PLC在包装机同步控制系统中的应用。根据包装机生产线的特点,提出了基于模糊PID和现场总线的多电机同步控制方案。应用结果表明,该系统具有控制精度高、成本低、成品率高、实时性强等特点,能够满足包装机的生产要求。介绍了西门子S7_300PLC在包装机同步控制系统中的应用。根据包装机生产线的特点,提出了基于模糊PID和现场总线的多电机同步控制方案。应用结果表明,该系统具有控制精度高、成本低、成品率高、实时性强等特点,能够满足包装机的生产要求。包装机 同步控制 现场总线 PLC包装工程董超 王孟效 李虎 许德玉 1陕西科技大学,西安710021 2陕西西微测控有限公司,咸阳7120812007第六图书馆第六图书馆董超等西门子 s 7 3 0 0 P L C在包装机同步控制系统中的应用 西门子 s 7 3 0 0 P L C在包装机同步控制 系统中的应用 董 超，王孟效，李 虎，许德玉(1 陕西科技大学，西安 7 1 0 0 2 1；2 陕西西微测控有限公司，咸阳 7 1 2 0 8 1)摘要：介绍 了西门子 S 7 _ 3 0 0 P L C在 包装机 同步控制 系统 中的应 用。根 据 包装机 生产线 的特 点，提 出了基于模糊 P I D和现场总线的多电机同步控制方案。应用结果表明，该系统具有控制精度高、成 本低、成品率 高、实时性 强等特 点，能够 满足 包装机 的生产要求。关键词：包装机；同步控 制；现场 总线；P L C 中图分类号：T I M8 6 3 文献标识码：A文章编 号：1 0 0 1 3 5 6 3(2 0 0 7)1 1 0 0 4 1 0 3 Appl i c a t i o n O f S73 0 0 PLC t o Pac ka gi ng M a c hi ne S ync hr o ni z ed Co nt r ol Sys t em DONG Ch a o 。G Me n g x i a o ，LI ，De y u (1 S h a a n x i U n i v e r s i t y o f S c i e n c eT e c h n o l o g y，X i h n 7 1 0 0 2 1，C h i n a；2、S h a a n x i C I WE P r o c e s s A u t o ma t i o n E n g i n e e ri n g C o L t d，X i a n y a n g 7 1 2 0 8 1，C h i n a)Ab s t r a c t：An a p p l i c a t i o n o f s 7 3 0 0 P L C t o s y n c h r o n i z e d c o n t r o l s y s t e m o f p a c k a g i n g ma c h i n e w a s p r e s e nt e dAi mi n g a t t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e p a c k a g i ng p l a nt，a mu l t i-mo t o r s y nc h r o n o us driv i n g c o n t r o l s c he me b a s e d o n f u z z y PI D a nd PROF I BUSDP wa s pr o po s e dTh e r u nn i ng r e s u l t i nd i c a t e d t ha t t he c o nt r o l s y s t e m ha s g o o d c o n t r o l e f f e c t i ve ne s s wi t h h i g h pr e c i s i o n，l o w c o s t，hi g h q ua l i fie d p r o d uc t r a t e，a nd s t r o n g r e a l t i me pe r f o r ma n c e I t c a n s a t i s f y t h e c o nt r o l r e qu i r e me n t s o f h i g h s pe e d p a c k a g i n g mac hi n e、Ke y wo r d s：p a c k a g i n g ma c h i n e：s y n c h r o n i z e d c o n t r o l s y s t e m；P ROF I BU SDP；P L C 在工业中，以纸、塑料薄膜、复合材料为包装材料的生产线 得到越来越广泛的应用，包装材料的准确传送显得尤为关键，特别是在多级传动电机同步运行控制中，各传动电机在启动、加速和停机的过程中要求多级传动电机能够及时地同步运行。本文以包装机生产线为背景，介绍了 P L C 在同步控制中的 应用。1 包装机工作原理及控制要点 该生产线利用聚丙烯编织布(P P)、聚乙烯薄膜(P E)等材 料作为制袋布，袋 长 6 6 01 0 2 0 mm任意调 节，袋宽 4 5 0 7 0 0 m m任意调节；9 01 8 0 m m规格任意调节。采用 4套色印 刷，生产速度 6 0袋 m i n，包括E O U$O 糊口2个工段。包装机的 工作流程示意图见图 1。印刷工段主要负责将编织袋卷进行 图 1 包装机工作流程 Fi g 1 F l o w c h a r t o f pa c ka g i n g ma c h i n e 塑编袋的4种颜色的正反面着墨印刷，印刷后的编织袋通过烘 干部，将其墨迹烘干，在切断部，通过切刀按照设定的袋长进行 切割。然后经送袋部袋子进入糊口工段并转向，在阀口部将其 袋口打开并折叠，底贴部主要负责袋口的粘贴并成型出袋。为保证袋子从印刷部到糊口部的线速度不变，底贴的线速 度与糊口部编织袋的线速度一致，所以我们必须使得印刷部与 糊口部同步、色标底贴部与糊口部同步。但由于包装机结构复 杂，负载波动比较大，而且糊口部的惯性较大，印刷和底贴部的 惯性又相对较小，所以要使主从电机严格同步比较困难。这也 是本次控制的难点，为此我们提出基于模糊 P I D和现场总线的 多电机同步控制方案。2控制 系统 设计 2 1 控制系统要求和总体控制方案 根据上述工艺流程，为了保证产品质量和成品率，控制系 统的设计非常关键。本生产线对控制系统的具体要求是：控制 系统必须严格保证印刷电机、底贴色标电机与糊口主电机同 步。能根据主从电机实际的位置不断校正从电机转速，使其与 主电机同步；保证主从电机启停和加减速时的响应时间差不超 收稿 日期：2 0 0 7 0 7-2 0 作者简介：董超(1 9 8 1 一)，男，咸P H S L 泉人，陕西科技大学硕士研究生，主攻控制理论与控制工程。41 维普资讯 http:/ http:/ 第六图书馆第六图书馆包装工程P A C K A G I N G E N G I N E E R I N G V o 1 2 8 N o 1 1 2 0 0 7 1 1 过 2 0 0 m s o 为此，我们采取如下总体控制方案：采用西门子 C P U 3 1 3 C 一2 D P为核心的 D C S控制系统，配备 1个触摸屏、1个糊口操 作台、1 个E lI 8 操作台、1个变频柜。触摸屏采用西门子 s I M A T I C T P 2 7 0 B并作为人机界面，主要完成工艺参数的显示、控制参数的设置、控制操作、历史数据的记录等；以糊口操作台 为主站，配备 1个 C P U 3 1 3 C一 2 D P、2个 D O和 1个带诊断功能 的 D I 扩展模块，主要完成现场同步信号的采集、工程单位变 换、回路控制和连锁控制算法、控制信号输出等功能；E O S U 操作 台通过 E T 2 0 0 M与主站进行通信，并配有 2个 D O、1 个 A I、1 个 印刷变频器，主要完成现场温度的采集、电机连锁控制的输出、急停等；变频柜装有配有 4台变频器，每台变频器通过专用通 信卡与 s 73 0 0站进行通信，实现电机启停和加减速控制；所 有工作站之间的通信都采用 P R O F I B U SD P现场总线来实 现。本控制系统的硬件组成见图2。率 I e c I，模糊推理机通过误差和误差变化率得出新的比例、积 分和微分系数，再经过 P R O F I B U SD P修改变频器的 P I D参 数，以实现模糊 P I D控制。对于模糊控制规则的制定，需要以实际的工程经验为依 据，对于不同的 和 I e c I 时，被控对象对参数 K K 和 有 不同的要求。根据实际的工程经验得出的，不同负载下最优的 P I D参数 为依据，建立数据块(D B 1)。P L C通过查表的方式，根据模糊 化后的不同的误差和误差变化率，按照规则 I f I e I i s A a n d l e c l i s B，t h e n K。i s C，K i s D，Kd i s E(其中：和 B为实际转速与给 定转速的比较值，c、D、E为新的 P I D参数)。从 D B 1中找出新负 载下的 P I D参数。通过西门子专 用功 能块 S F C 1 5 D P WRD A T 麦 I 糊【=j 操 作 台 l 印 刷 操 作 台 l 变 频 柜 l I P R O F I B t T s D P I l P R O F I B【s D p -P S C P U 3 l 3 S M S M S M S M 印刷 3 0 7 2 D P 3 2 2 3 2 2 变频器 3 2 2 3 3 I l l P R O F I B t!S D P 图 2 控制 系统硬件结构不意 F i g 2 S t r u c t u r a l c h a r t o f h a r d wa r e c o n t r o l s y s t e m 2 2 模糊 P I D 由于该包装机生产线比较复杂，切刀、凸轮等不规则器件 比较多，所以每次停车这些器件所处的位置都不一样，从而导 致再次开车时的负载不尽相同。例如停机停在切刀的刀口处 时，开机时的负载就比平时大，反之则小。而通常的 P I D控制 算法针对恒负载对象，其参数一旦整定好就固定不变。对于这 条生产线，若依然采用传统 P I D控制器，就难以满足工艺要求，而且整定出的参数只能是针对包装机某次停车时的负载最优，并不能使得全局最优。为此，通过反复摸索和试验，我们采用 模糊控制技术与 P I D控制相结合的控制思想(即所谓的模糊 P I D控制算法)，用于对电机转速的准确控制，收到比较满意的 控制效果。模糊 P I D控制器 是一种在常规 P I D控制器的基础上，应用模糊集合理论建立参数并通过查表的方法，以实现对于不 同的误差和误差变化率在线调整比例、积分和微分系数，使其 根据对象的变化而变化，以满足工业控制的要求。由于模糊 P I D可以根据实际被控对象的变化，通过其规则 库不断的自动整定 P I D参数，因此可以解决本套设备负载变化 较大的问题。为此我们选用增量式旋转编码器与变频器形成 闭环控制，P L C通过 P R O F I B U SD P总线从变频器速度通讯 口上读取实际转速，并与给定转速比较产生误差I e I、误差变化 42 (写 参 数 功 能 块)，将 整 定后 的 P I D参 数 写 入到变频器 中，达到优化控制，满足工业要 求。其流程见图 3。2 3 软件设计 231 PR0FI B1 sDP 在该系统 中，由于控制精度 开始(OB J)凄电机实 际速度 一 一 e(k)=s(k)-p 模 P c(一 一 J)糊 t 化 d )，e c 模糊化 t 模糊推理查表(D B I：计算 k k ，k 解 标度变换l 例 T S F C 1 5 I)P WI I I)A T I 输(变频器)i 图 3 模糊算法流程图 F i g 3 F l o w c h a r t o f f u z z y a r i t h me t i c 要求较高，因此电机速度必须从通讯口给定，这样控制精度可 以达到两万分之一，因此我们选用 P R O F I B U SD P _ 作为通讯 媒介。以糊口操作台为主站，E I S U 操作台、5台变频器为从站，分别设置不同的站地址，使得 P L C和变频器、操作台之间建立 主、从关系。由于 C P U 3 1 3 C一2 D P有自带的 D P通讯口，因此 触摸面板可以通过 P R O F I B U SD P与 P L C进行通讯，即从触 摸面板输入工艺参数，由 T P 2 7 0 B经过 MP I口传递给 P L C。P L C经过数据运算处理通过 P R O F I B U S D P将数据发送给各 个变频器来控制各电机转速。P L C再从变频器、温度变送器等 采集有关数据，通过计算传给 T P 2 7 0 B进行显示。2 3 2 程序设计 本次应用设计借助于西门子L 4 专用编成软件 S t e p 7，程序 采用模块化设计，分为主程序、子程序和中断程序 3大部分。主程序根据不同的条件随时调用不同的子程序，例如采样子程 序、温度控制子程序、P I D调用子程序等。在具体调用这些子 程序时，只需赋予子程序接口的具体参数和存储地址，这样可 大大提高代码的使用效率，并减少了代码的编写量，提高了程 序的可移值性；由于本生产线对实时性要求较强，所以中断采 用了优先级较高的硬件中断(0 B 4 0)，即当印刷信号、糊口信 号、色标信号、定位信号中任何一个来时，立即产生硬件中断并 维普资讯 http:/ http:/ 第六图书馆第六图书馆董超等西门子 s 73 0 0 P L C在包装机同步控制系统中的应用 调用高速定时器定时，以计算 2 个信号之间的时间差，调用同步 调速控制算法，实现E I U 与糊口 部、底贴色标与糊口部传动电机 的同步。其算法见图4。2 3 3 同步控制实现 由于本条 生产线分 印刷和 糊口2个部分，分别由2台电机 拖动，每 台 电 机 配 备1个 A C S 8 0 0 L 5 变频器；底贴部由 1台 色标 电机 拖 动，并 配 备 1台 A C S 8 0 0变频器与糊口主电机同 步运行 J，其底贴的长度可以从 触摸屏设定。生产时，糊口电机 为主单元，E I 0 电机、色标电机 为从单元，总体 的车速快慢，完 全由糊 口主电机决定。生产过 图4同步控制算法 F i g 4 S y n c h r o n i z e d c o nt r o l a r i t hme t i c 程中从单元要随时调整速度，保持与主单元 同步运行，即在两 个工段中，编织袋保持一致的线速度。为了保证电机的同步运 行，我们在E I U 部切刀处、糊口转向处、底贴处安装接进开关，其信号由带诊断功能的 S M3 2 1采集并送给 P L C，并且给每台 电机配备一个增量式旋转编码器L 7 J，实现单回路 P I D闭环控 制，其控制原理见图5。PL C r 0 1 图 5控制原 理图 Fi g 5 Ch a r t o f c o n t r o l prin c i p l e 图 5中：s G 和 s G：为一组接进开关信号时间(如糊口与印 刷信号)，其主要用于确定电机的具体位置；V s 为主电机(糊口 电机)给定速度；T A根据生产要求所设定的从电机同步时间，本条生产线车速为 6 0袋 m i n，所以从电机的同步时间不能超 过 1 s，一般取9 0 0 m s；P为主从电机速度比，不同的生产工艺比 值不同，需要根据实际的生产工艺进行测量，即 P=N N 2(N。和 2 分别为2 台电机给定值)；B P为变频器；M为三相异步交 流电机；E D为旋转编码器；电机实际转速。假设 A S 为同步 允许位差范围，根据主从电机负载上的接近开关信号时间，可 以得出主从电机的实际位差 e=l s G 一 s G：l，若 l s G，一 s G：l s 则系统同步，不需要调节；若 J s G 一 s G l A S 则系统不同步，计算同步速度补偿量，进行同步补偿。由图 5 很容易得出从电机的补偿速度 V 1=V s l s G s G：J (1)从电机变频器得到的最终的调整速度=R E 一 (s G，一 S G 2)T A (2)由2 式所得的结果不断 正变频器的给定速度，编码器检 测到的实际速度与此修正后的给定速度相比较，来调整实际速度 的大J _ l ，两 足实际工业生产要求。实际的控制结果见图6。l 1：2 8：0 0 l I：28：0 3 2()o 7 5-6 2 0 0 7 5 6 时间 图 6电机运行实际 曲线 F i g 6 Ac t ua l r u nn i ng c u r v e o f mo t o r 图 6为用 P r o T o o l 实际监控电机曲线，可以看出，从电机与 主电机在启动、停止、加速、减速过程中都具有较好的同步性，他们的最大 时差不超过 l O O m s，完 全可以满足工业控 制要 求。3 结语 该控制系统已经调试完成，并已出口国外。由于其同步性 能良好，电机在启动、加速、减速、停机过程中，基本上达到了一 个袋不废的目标，从而满足了工业生产要求，大大的提高了包装 袋的成品率，为企业取得了良好的效益，具有较好的推广价值。参考文 献：1 刘乘，李 晓钢 P L C在包装机械 上的应用 J 包 装工程，2 0 0 4，2 5 (2)：4 6 2 王盂效，孙瑜，汤伟，等 纸浆造纸过程测控系统及工程 M 北 京：化学工业 出版社 2 0 0 3 3 郭卫东，曹宁 P R O F I B U SD P现 场总线 的应 用 J 河海 大学 常 州分校学报，2 0 0 5，3(1 9)：6 16 4 4 西门子(中国)有限公司$7 _ 3 0 0 可编成序控制器系统手册 K 上海：西 门子(中国)有限公司，2 0 0 5 5 A B B(中国)有限公司 A C S 8 0 0固件手册 K 惠州：A B B(中国)有 限公 司，2 0 0 4 6 陈德传，黎琦 一种新型 的多 电机 同步变频传 动控制系统 J 杭 州 电子科技大学学报，2 0 0 5，2(1)：6 8 7 0 7 刘兴海 旋转编码器 的应用 J 新疆钢铁，2 0 0 6，(1)：3 1 3 3 8 李瑞平，冯济缨，黄明琪 包装机械设计中的控制技术【J 包装 工程，2 0 0 5，2 6(1)：1 9 2 1 43 维普资讯 http:/ http:/ 第六图书馆第六图书馆