隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，尤其是國家對環(huán)保要求的日益提高，造紙行業(yè)競爭日趨激烈，原有的小型造紙?jiān)O(shè)備很難適應(yīng)邀烈的市場競爭，應(yīng)運(yùn)而生的大型造紙精漿機(jī)的地位便顯示得尤為突出，對大型造紙精漿機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更是先進(jìn)精漿設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。正是基于這種情況，本研究采用PLC作為控制元件，實(shí)現(xiàn)對大型造紙精漿機(jī)打漿工藝的過程控制，并實(shí)現(xiàn)了對多種型號精漿機(jī)進(jìn)行高質(zhì)、高效、自動控制的目的。
2 系統(tǒng)簡介
根據(jù)控制工藝要求，綜合控制點(diǎn)數(shù)，我們選擇了西門子公司的S7-200系列CPU214型PLC，它包括輸入、輸出、程序存儲器和處理器4部分，具有指令執(zhí)行速度快、可靠性高、中斷靈活、內(nèi)置計(jì)數(shù)器以及對輸入/輸出的直接查詢和賦值等功能。
觸摸屏采用西門子TP27-10型，它是基于PLC的軟硬一體人機(jī)界面，能以圖形界面形式實(shí)現(xiàn)各種工作狀態(tài)的顯示，并具有使用方便、人機(jī)對話界面友好、組態(tài)技術(shù)易掌握、與P軻進(jìn)行良好通訊以及能適應(yīng)車間工作環(huán)境等特點(diǎn)。通過觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)對精漿機(jī)具體工藝動作的操作控制。
系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要工藝動作過程如下：
主機(jī)啟動之前，首先啟動液壓泵電機(jī)，確認(rèn)沖水清洗磨室后進(jìn)紙漿，為系統(tǒng)正常工作提供漿壓。接著，主機(jī)啟動，快速進(jìn)刀，由待機(jī)停刀位進(jìn)刀到指定位置，再慢速進(jìn)刀到正常工作狀態(tài)位。根據(jù)具體的工作需要，先行斷漿之后可以實(shí)現(xiàn)人工或自動退刀到停刀位，正常退刀之后，系統(tǒng)給出是事沖水清洗的提示，確認(rèn)沖水完畢，即可實(shí)現(xiàn)整機(jī)停車。當(dāng)遇到特殊情況時(shí)，可以先緊急停車，安全退刀之后，再停止液壓泵工作。
精漿機(jī)磨盤的實(shí)際工作間距非常小，要求在快速進(jìn)刀之后，必須控制好進(jìn)刀的速度，避免刀盤之間產(chǎn)生直接磨擦，損壞刀盤。進(jìn)刀控制包括兩個(gè)方面：快速進(jìn)刀和慢速進(jìn)刀，快速進(jìn)刀是為了節(jié)省進(jìn)刀時(shí)間提高生產(chǎn)效率，慢速進(jìn)刀則是為了對進(jìn)刀量進(jìn)行準(zhǔn)確控制，以滿足刀盤之間對距離的嚴(yán)格要求。主機(jī)開始啟動之前，要求在刀盤之間必須存在一定的壓力，這個(gè)壓力由紙漿溶液來提供，因此要首先啟動液壓泵電機(jī)，為系統(tǒng)提供所需的啟動壓力。如果壓力差值太小或者為零，容易引起動態(tài)刀盤與靜態(tài)刀盤的直接接觸，導(dǎo)致刀盤報(bào)廢，甚至磨盤主軸扭斷等嚴(yán)重后果，為避免產(chǎn)生這種現(xiàn)象，需要對紙漿壓力信號進(jìn)行監(jiān)控，在主機(jī)啟動之前，首先要確認(rèn)漿壓值是否達(dá)到實(shí)際工作要求的范圍。為提高系統(tǒng)的可靠性，漿壓達(dá)不到要求范圍時(shí)，主機(jī)不能啟動。
3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
3.1 控制指標(biāo)及控制模式的確定
根據(jù)對紙漿纖維和造紙品種的工藝要求，首先計(jì)算所需的有效打漿能耗，然后，求出具體的打漿控制功率，以恒功率的形式對主電機(jī)的功率輸出進(jìn)行控制。結(jié)合具體的應(yīng)用場合，具體的控制策略實(shí)現(xiàn)形式會有所差別。
磨盤之間的距離是一個(gè)動態(tài)變量，在壓力的調(diào)節(jié)過程中，會隨著紙漿壓力值的變化而變化，當(dāng)漿壓恢復(fù)到預(yù)先設(shè)定值的時(shí)候，磨盤之間的距離也會達(dá)到理想需求值。系統(tǒng)設(shè)定的參考控制指令值，與漿壓和流量有著直接關(guān)系。理論上主電機(jī)輸出功率的控制目標(biāo)值是隨漿壓和流量變化的，進(jìn)而控制磨盤之間距離的進(jìn)給調(diào)整。但由于實(shí)際系統(tǒng)中漿壓的波動比較緩慢，幅度較小，而且，超聲波流量計(jì)通常比較昂貴。考慮到這兩種實(shí)際情況，在該控制系統(tǒng)中可采用以下兩種不同控制策略：（1）根據(jù)紙漿種類、打漿質(zhì)量要求以及壓力和流量的實(shí)際變動范圍，確定相對固定參考功率值，實(shí)行恒功率控制，同時(shí)監(jiān)控有關(guān)的漿壓和流量信息，實(shí)行恒功率控制，同時(shí)監(jiān)控有關(guān)的漿壓和流量信息，實(shí)行超范圍報(bào)警操作；（2）采用真正的有效能耗控制，根據(jù)實(shí)時(shí)檢測的漿壓和流量信號實(shí)時(shí)調(diào)整主電機(jī)輸出功率指令，保證流量大小和濃度值達(dá)到工作要求。
漿壓與間隙的對應(yīng)關(guān)系，由具體的工作要求確定。漿壓值大小則由采樣計(jì)算得到的平均值確定，當(dāng)漿壓偏離設(shè)定值時(shí)，PID中斷子程序?qū)⑦M(jìn)行自動調(diào)節(jié)，直到漿壓達(dá)到正常設(shè)定值。
3.2 PLC程序設(shè)計(jì)
應(yīng)用編程軟件Step7 Micro/Win32完成系統(tǒng)控制程序的編制工作。該編程軟件具有梯形圖、語句表和功能邏輯塊圖3種輸入方式相互轉(zhuǎn)化的能力，本研究采取語句表（STL）和梯形圖（LAD）在開發(fā)PC機(jī)上混合編程的方式，提高了編程效率。由屏蔽通訊電纜將PC的RS-232串行端口和PLC的RS-485通訊端口聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)PC與PLC之間的通訊。
在該控制系統(tǒng)中，采用增量輸出、數(shù)字式PID調(diào)節(jié)器控制方法，其實(shí)質(zhì)是根據(jù)輸入的偏差值，按比例（Proportional）、積分（Integral）、微分（Differential）的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果的增量用以輸出控制。圖2給出了數(shù)字式PID調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)框圖。由比例系數(shù)直接決定控制作用的強(qiáng)弱，適當(dāng)調(diào)節(jié)可減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度；在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加上積分控制可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，只要偏差存在，積分所產(chǎn)生的控制量是用來消除穩(wěn)態(tài)誤差的；而微分控制產(chǎn)生超前校正作用，用于減少超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。
在PID的運(yùn)算過程中，需要確定控制周期的值。微分和積分是兩個(gè)比較靈敏的數(shù)學(xué)運(yùn)算，采用如下的計(jì)算公式：
整個(gè)程序包括主程序、初始化子程序和中斷調(diào)用程序三部分，主程序完成對兩個(gè)子程序的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對各個(gè)具體動作的控制，如進(jìn)刀退刀、主機(jī)啟動停止以及緊急停車等；子程序完成對各變量的初始化，定義參數(shù)值、溢出值和對參考值進(jìn)行設(shè)定；中斷程序是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，進(jìn)行模擬量采樣平均值及其差值的計(jì)算，具體實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)器的整個(gè)控制過程。中斷流程圖如圖3所示。下面給出中斷程序中模擬量采樣以及平均值計(jì)算程序的部分語句，示例整個(gè)程序的編制過程。采樣次數(shù)、采樣時(shí)間間隔由子程序定義。
MOVW AIW0，VW12 //模擬量采樣值，首次采樣
LD SM0.0 //SM0.0總為1
LDW>=VW12,+0 // 檢查輸入信號
MOVW +0，VW10
NOT
NOVW 16#FFFF，VW10 //把輸入值轉(zhuǎn)換成雙字，則VD10=當(dāng)前模擬量采樣值
LD SM0.0
+D VD10,VD14 //采樣值累加
INCW VW156，+n //若定時(shí)中斷計(jì)數(shù)器數(shù)值>=預(yù)置定時(shí)中斷個(gè)數(shù)
MOVD VD14，VD18 //采樣和備份
ENCO 16#4，AC1 //計(jì)算移位數(shù)
SRD VD18，AC1 //用移位實(shí)現(xiàn)除法，即求得采樣平均值
MOVD +0，VD14 //采樣和清零
MOVW +0，VW156 //計(jì)數(shù)器復(fù)位
NOT
CRET1 //否則返回
3.3 觸摸屏組態(tài)概述
由Protool組態(tài)軟件完成在觸摸屏上變量輸入、信息顯示和操作畫面的定義，并實(shí)現(xiàn)其操作功能，從某種意義上講，組態(tài)的實(shí)質(zhì)既是功能的實(shí)現(xiàn)。舉兩個(gè)簡單的例子。表1列出了部分已定義的全局變量。全局變量帶有PLC鏈接，是實(shí)現(xiàn)觸摸屏和PLC之間的數(shù)據(jù)交互通訊的聯(lián)系紐帶，它在PLC上占據(jù)一個(gè)已定義的存儲器地址，可以在操作器單元上對該地址的變量進(jìn)行讀寫訪問。
變量VAR_1的地址M0.1與PLC的“主機(jī)啟動”輸入節(jié)點(diǎn)I0.1相對應(yīng)，因此需要將其定義為“Button”功能，即通過該按鈕可實(shí)現(xiàn)主機(jī)的啟動。變量VAR_Q5的地址Q0.5與PLC的輸出節(jié)點(diǎn)Q0.5相對應(yīng)，用來實(shí)現(xiàn)漿壓報(bào)警信號的輸出，因此只需要將其功能定義為“輸出顯示”即可。
變量VAR_Kp的地址VW118對應(yīng)PID控制器的“比例調(diào)節(jié)系數(shù)”，因此需要將其功能定義為“比例調(diào)節(jié)系數(shù)的設(shè)定”，它將要求工程技術(shù)人員設(shè)定合適的比例調(diào)節(jié)系數(shù)。同樣，變量VAR_Kd分別定義為積分和微分調(diào)節(jié)系數(shù)的設(shè)定。
對觸摸屏的整個(gè)組態(tài)工作主要包括“主機(jī)啟動”、“口令保護(hù)”、“系統(tǒng)定義”、“參數(shù)設(shè)置”、“系統(tǒng)控制”和“PID控制”6個(gè)操作界面，以及各種操作按鈕、顯示畫面和功能鍵等。其組態(tài)原理與上述兩列相似，所不同的是組態(tài)的具體操作過程和組態(tài)工作的復(fù)雜程度。
4 結(jié)束語
可編程控制器和觸摸屏在該控制系統(tǒng)中的結(jié)合應(yīng)用是較為成功的，該系統(tǒng)具有功能完善、維護(hù)方便、操作簡單、控制精確等特點(diǎn)，它已經(jīng)應(yīng)用在大型雙盤精漿機(jī)和錐形磨漿機(jī)的系統(tǒng)控制中，控制對象既包括普通低壓電機(jī)，又包括800kW的1萬伏高壓電機(jī)，均達(dá)到了打解漿效率高、質(zhì)量好的預(yù)期要求。其中，淄博輕工機(jī)械股份有限公司在承擔(dān)的國家技貿(mào)引進(jìn)技術(shù)課題DD-720雙盤精漿機(jī)中，應(yīng)用了本研究的控制系統(tǒng)，該計(jì)貿(mào)引進(jìn)技術(shù)課題已經(jīng)通過了國家級技術(shù)鑒定。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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