1 引言

　　目前，我國造紙行業(yè)的控制系統(tǒng)主要采用集散控制系統(tǒng)(dcs)，控制器和現(xiàn)場設(shè)備之間靠大量的i/o電纜連接，不僅增加成本，而且降低了系統(tǒng)的可靠性。

　　控制系統(tǒng)傳送4～20ma信號，并以此監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備，這樣，由于控制器獲得的信息量有限，現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報警、記錄功能比較弱；另一方面也很難完成現(xiàn)場設(shè)備的動態(tài)監(jiān)控、遠程參數(shù)設(shè)定、修改等功能，造成造紙控制系統(tǒng)的信息集成能力不強和可維護性較差，影響工廠的生產(chǎn)效率，并給生產(chǎn)管理帶來諸多不便。

　　隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，串行現(xiàn)場總線通信技術(shù)已深入到自動控制的各個領(lǐng)域。應(yīng)用這項技術(shù)可以將可編程序控制器、交直流驅(qū)動器、監(jiān)控計算機、遠程i/o及智能傳感器等連接起來，實現(xiàn)分布式計算機控制，可提高檢測和控制的精度，改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的安全性，因而建立基于現(xiàn)場總線的紙機控制系統(tǒng)成為解決這一問題的有效途徑。

　　profibus過程現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字化的、串行、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，用于工廠/車間儀表和控制設(shè)備的局域網(wǎng)。profibus-dp是profibus過程現(xiàn)場總線協(xié)議的工廠自動化控制子集。因此其在紙機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，將大大減少布線工作量與電纜投資，避免信號干擾，使系統(tǒng)更可靠，操作更簡便，監(jiān)控更直觀。正是基于上述原因，山東中茂圣源紙漿有限公司紙板紙機項目工程中采用了profibus-dp現(xiàn)產(chǎn)總線技術(shù)，實現(xiàn)了該機組的通信及分布式控制，取得了良好的效果。

2 紙板造紙工藝分析

　　圖1所示的紙板造紙機示意圖中，可以看到該紙機是一種由多臺設(shè)備組成的聯(lián)動機。濕部包括漿料流送設(shè)備、網(wǎng)部和壓榨部；干部包括干燥部、切紙機和理紙機。具有適合抄紙性能的漿料進入造紙機的漿料流送設(shè)備，經(jīng)漿流分布器和流漿箱的分布和勻整以后，均勻而穩(wěn)定的流送到運動著的成形網(wǎng)的網(wǎng)面上。漿流在網(wǎng)部逐漸地過濾、脫水，形成連續(xù)的濕的紙幅。當(dāng)濕紙幅脫水到一定干度，便可以從網(wǎng)面剝離，送至壓榨部繼續(xù)脫水。壓榨部是由若干組輥式壓榨組成。濕紙幅是由壓榨毛毯支托著，在壓輥間用機械擠壓的方法脫水。為了保持壓榨毛毯的良好脫水性能，壓榨輥上配設(shè)有毛毯洗滌裝置。經(jīng)壓榨部后，濕紙幅的干度一般可達40%左右。然后濕紙幅經(jīng)氣墊式烘干箱進一步脫水。干燥后的紙板經(jīng)牽引輥進入切紙機，經(jīng)縱切刀由送紙輥進入橫切部分，橫切甩刀將紙幅切斷送出。切斷的紙經(jīng)輸送輥、高速輸送帶、低速輸送帶、壓紙帶送往理紙機。最后打包稱重，整個工序完成。

圖1 紙板紙機示意圖

2.1 穩(wěn)速的要求

　　造紙機由紙漿到形成紙張，需經(jīng)過多個分部，因此是一個多單元的速度協(xié)調(diào)系統(tǒng)，各個分部間的速度要求嚴(yán)格配合，根據(jù)工藝流程，一般有以下關(guān)系：只要其中一個分部速度不穩(wěn)，就會無法維持生產(chǎn)，紙幅不是斷裂，就是松垮下來。如果整臺紙機車速不穩(wěn)，就不能保證紙張的定量(每平方米紙頁的重量)不變。因此要求紙機的各分部都能穩(wěn)速。但是，在實際運行中，有許多干擾因素破壞速度的穩(wěn)定，例如電網(wǎng)電壓的波動、頻率的變化、負載的波動、溫度的變化等等，對電氣傳動自動化控制的要求是克服這些干擾的影響，保證車速的穩(wěn)定。

2.2 平穩(wěn)起動的要求

　　紙機中有的分部要求平穩(wěn)起動，例如網(wǎng)部起動太快就會損壞銅網(wǎng)；干燥部傳動慣量比較大，起動太猛會把機械連軸扭斷，因此要求整個系統(tǒng)能平穩(wěn)起動，而且各分部要能單獨起動和停止。

　　2.3 紙機速度鏈

　　由于各分部傳送著生產(chǎn)過程中的紙張，根據(jù)造紙工藝的要求，各分部間要求達到線速度比例協(xié)調(diào)(相鄰兩個分部間的線速度比值應(yīng)保持恒定)，高精度地、可靠地保持這個比例系數(shù)是保證產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)正常運行的重要條件，任何原因破壞這種比例協(xié)調(diào)，就會降低產(chǎn)品質(zhì)量。同時，紙機的這種速度比例協(xié)調(diào)關(guān)系應(yīng)在該變車速或停機后重新開機時繼續(xù)保持，而不需重新調(diào)節(jié)。其次，這種比例協(xié)調(diào)應(yīng)具有微調(diào)功能，以調(diào)節(jié)相鄰兩分部間的速差，避免紙張在傳送過程中的松弛和繃緊現(xiàn)象，并且速度微調(diào)應(yīng)該靈敏、可靠，不應(yīng)在調(diào)過程中有明顯的滯后現(xiàn)象。比例協(xié)調(diào)關(guān)系如下：

　　n1=k1(n0+δn0)
　　n2=k2(n1+δn1)

　　n3=k3(n2+δn2)
　　n4=k4(n3+δn3)

　　本系統(tǒng)中，采用profibus-dp過程現(xiàn)場總線結(jié)合plc程序來完成速度鏈的控制，避免了運算放大器的速度鏈給定環(huán)節(jié)的信號漂移，提高了穩(wěn)定性。

3 工藝自動化系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1 硬件構(gòu)成

　　根據(jù)紙板紙機的工藝要求，該控制系統(tǒng)有profibus-dp構(gòu)成單主從工作方式，如圖2所示。主站選用siemens的s7-300 plc(cpu313c-2dp)，站地址設(shè)為2，實現(xiàn)總線通信控制和管理，完成周期性數(shù)據(jù)訪問。網(wǎng)部、壓榨部、干燥部和切紙機的各變頻器(mm440)為從站，地址分別為3，4，5，6，7，8，9，10?，F(xiàn)場觸摸屏通過mpi口與plc相連，其地址設(shè)為1。上位機通過cp5611與主站plc連接，地址使用默認值0。理紙機部分的遠程i/o(et200m)地址為11。主站plc與變頻器及現(xiàn)場觸摸屏實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通訊，完成整個紙機傳動過程中的速度鏈、負荷分配、張力控制等功能?，F(xiàn)場觸摸屏實時顯示各分布點的工作狀態(tài)，監(jiān)測各變頻器的運行、故障狀態(tài)，通過它可以對各傳動點實現(xiàn)全部控制功能。plc實時的接受來自上位機和觸摸屏的優(yōu)化控制指令，自動調(diào)節(jié)各分部的速度以適應(yīng)生產(chǎn)需求。同時plc將各分部的運行參數(shù)送往上位機，以便及時了解生產(chǎn)狀況。整個系統(tǒng)采用profibus-dp現(xiàn)場總線控制技術(shù)，系統(tǒng)全部控制功能的實現(xiàn)都由現(xiàn)場總線通訊完成。只靠一條通訊電纜傳輸，省去了傳統(tǒng)的線路接點。大大提高系統(tǒng)的可靠性，節(jié)約了控制電纜。同時實現(xiàn)了從操作到控制的全數(shù)字化，徹底杜絕了現(xiàn)場干擾對控制系統(tǒng)運行的影響。

　　3.2 軟件設(shè)計

　　plc的編程使用s7系列的編程軟件step7 v5.3，通過其對系統(tǒng)進行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)配置，如通信端口的設(shè)置，站地址和數(shù)據(jù)傳輸速率的設(shè)定等；然后對主站s7-300進行硬件組態(tài)，通過配置，cpu313c-2dp可以各個變頻器和et200m的i/o 分配地址，這樣從編程角度來看，cpu313c-2dp隊給從站的控制如同本機的i/o一樣。

　　step7 v5.3軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)編程，整個控制程序由ob組織塊、fc功能塊、db數(shù)據(jù)塊等構(gòu)成?？刂谱质乾F(xiàn)場總線系統(tǒng)控制傳動單元的基本手段?？刂谱钟涩F(xiàn)場總線控制器(plc)發(fā)送給傳動單元，傳動單元根據(jù)控制字的位編碼指示作出相應(yīng)動作。狀態(tài)字是一個包含了狀態(tài)信息的字，它由傳動單元發(fā)送給現(xiàn)場總線控制器(plc)。組織塊ob是系統(tǒng)操作程序與用戶應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運行。不同的ob有不同的功能。本設(shè)計中組織塊有ob1、ob20、ob35、ob82、ob86、ob87、ob100、ob121、ob122。
ob1是用作主程序循環(huán)的，它用來設(shè)計主循環(huán)程序的結(jié)構(gòu)；在用戶程序延時中斷ob20種調(diào)用了系統(tǒng)功能塊sfc32(“srt_dint” 啟動延時中斷)、 sfc33(“can_dint” 取消延時中斷)、sfc34(“qry_dint” 查詢延時中斷的狀態(tài))。ob35是程序循環(huán)中斷組織塊；ob82是診斷中斷程序，診斷接受來自有診斷能力的模塊；ob86是機架錯誤中斷，ob87通訊錯誤中斷；ob100屬于啟動組織塊，是暖啟動用的；ob121是程序錯誤組織塊，ob122是訪問錯誤組織塊，屬于故障處理組織塊。ob1是主程序，主要完成系統(tǒng)的初始化、初始參數(shù)設(shè)定、調(diào)用子程序。fc是自定義的子程序塊，包括網(wǎng)部控制、壓榨部控制、干燥部控制、切紙機控制、理紙機控制、故障處理、數(shù)據(jù)采集與處理等功能塊。數(shù)據(jù)塊db用來存放用戶程序運行所需的大量數(shù)據(jù)或變量，它也是實現(xiàn)各程序塊之間交換、傳遞和共享數(shù)據(jù)的重要途徑。在本系統(tǒng)中，上位機和下位機的通信主要是通過都區(qū)和改變下位機的db塊來實現(xiàn)的。該系統(tǒng)共設(shè)計了8個db塊，分別表示實際速度數(shù)據(jù)塊、設(shè)定速度數(shù)據(jù)塊、電流數(shù)據(jù)塊、時鐘背景數(shù)據(jù)塊、報警數(shù)據(jù)塊、實際溫度數(shù)據(jù)塊、設(shè)定溫度數(shù)據(jù)塊和紙板尺寸數(shù)據(jù)塊。通過讀取下位機的db塊，上位機上顯示相應(yīng)的速度、紙板尺寸和報警等相應(yīng)信息。通過觸摸屏改變下位機相應(yīng)的db塊數(shù)據(jù)，就可以生產(chǎn)達到預(yù)期的目的。