前 言
由于以紙、塑料薄膜、復合材料為包裝材料的生產線得到越來越廣泛的應用，包材的準確傳送顯得尤為關鍵，特別是在多級傳動電機同步運行控制中，各傳動電機在升速或降速的過程中要求多級傳動電機能夠及時地同步運行。本文以紙袋糊口機生產線控制系統為背景，介紹PLC在同步控制中的應用。
1 系統總體設計
1.1 系統組成
該生產線利用聚丙烯編織布（PP）、聚乙烯薄膜（PE）等材料作為制袋布，袋長760mm，袋寬630mm。采用4套色印刷，生產速度60條/分鐘，包括印刷切斷和成型兩個工段。印刷切斷工段主要負責將編織布卷（PP、PE）進行塑編布的4種顏色的正反面著墨印刷，印刷后的編織布通過切刀按照設定的袋長進行切割，配置1個現場操作臺、一個變頻器擴展柜（配有2個變頻器）；成型工段主要負責轉向、施膠、打開、糊口、糊底等，一個現場操作臺、一個繼電器擴展柜、一個變頻器擴展柜（配有2個變頻器）完成控制。
1.2 硬件構成
該項目采用西門子S7-200最新的XP系列的CPU作為主控制單元，配有6個A/D、D/A輸入輸出擴展模塊，主要完成現場信號的采集、工程單位變換、回路控制和連鎖控制算法、控制信號輸出等功能；操作界面采用西門子的SIMATIC TPl70B觸摸面板作為人機界面，主要完成工藝參數的顯示、控制參數的設置、控制操作、歷史數據的記錄等。
1.3 軟件組態
1.3.1 網絡通訊
在工程網絡的建設中，主控制單元作為上位機，4臺變頻器作為下位機，分別設置不同的站地址，使得PLC和變頻器之間建立上、下位機關系。由于 S7-200的XP系列CPU內置2個RS485通訊口，因此可以將一組通訊口Port 0與觸摸面板進行點對點（PPI）通訊，另一組通訊口 Port 1作為自由口與變頻器進行數字通訊，即從觸摸面板輸入工藝參數，由TPl70B經過Port 0口傳遞給PLC，PLC經過數據運算處理通過 Port 1口將數據發送給各個變頻器來控制各電機轉速，在從變頻器、溫度變送器等采集有關數據，通過計算傳給TPl70B進行顯示。整個過程采用每隔 100ms發送XMT一次，接受采用接受中斷方式。在發送XMT數據前關閉所有接受中斷，發送后再通過發送中斷程序打開接受中斷程序，并關閉發送中斷程序。
1.3.2 程序設計
該糊口機控制系統的程序采用模塊化設計，分為主程序、子程序和中斷程序三大部分。主程序主要負責根據不同的條件狀態調用相應的子程序、根據邏輯位調用中斷程序等功能；可以將在多個地方使用的程序段通過子程序模塊化，比如采樣子程序、超限報警子程序、PID控制于程序等，在具體使用的地方只需調用這些子程序，賦予具體的數據參量和存儲地址，這樣可大大提高代碼的使用效率，并減少了代碼的維護工作量；中斷程序主要包含PLC和變頻器通訊算法，同步調速控制算法，主要完成印刷切斷部和成型部傳動電機的同步運行的功能。
1.3.3 同步控制系統實現
由于該生產線中印刷切斷工段和后面的成型工段分別由兩個電機拖動，各臺電機分別由變頻器調速驅動，構成多單元同步傳動系統。將成型工段的主電機作為主令單元，印刷切斷工段的主電機作為協從單元。工作時，需要多大的運行速度，由主令單元決定和調整，生產過程中要求協從單元協調同步，使切斷的編織布在兩個工段中保持恒定的線速度。操作員調節主令單元速度時，也要協從單元能同時調整速度，滿足整機速度的同步調整。為此，我們采用2個增量式旋轉編碼器分別檢測切刀轉速和轉向處傳動軸的轉速，將編碼器發出的脈沖送至PLC的高速脈沖計數輸入單元I0.0和I0.1，利用高速計數器對編碼器脈沖進行計數，在給定的采樣時間中，PLC將采集到的各單元實時轉速與設定運行參數綜合，按既定的同步控制策略進行運算和控制，得到各單元電機的運行速度設定值，再通過 PLC內置的RS485接口與變頻器上的MODBUS現場總線通信接口卡之間的現場總線傳輸給變頻器執行。
在控制策略上，采用智能補償和傳統PID結合的控制方法。PID調節器具有本質的魯棒性、符合二次型最優控制選型原則、具有智能化的專家特色。同時，為了保證編碼器傳輸給PLC的高速脈沖個數準確，確保高速脈沖的個數在允許的誤差范圍內，使用編碼器的零位脈沖信號對其作周期性檢測，同時可以通過編程軟件對CPU的脈沖輸入端口設置脈沖的捕捉功能，輸入端的狀態變化被鎖存并一直保持到下一個掃描循環刷新，這樣可以防止脈沖信號丟失。
在主令單元和協從單元間采用同一給定電壓方式的基礎上，比較兩者的轉速，其差值經補償器加到協從單元的控制輸入端。電機間的速度協調關系有同步系數決定。
其中，VF為變頻器，ED為編碼器，CP為補償器，M為電機。設同步速度允許工作帶寬為△ng，在k時刻雙驅動電機的實際反饋轉速分別為 n1（k）、n2（k），不同電機要求的工藝速度比值為Kn=N1／N2（N1、N2分別為兩電機速度給定值）兩機異步停車報警的最大速度為△nmax，則當：
，系統同步正常，不進行同步補償調節。
，系統嚴重不同步，停車報警。
，計算同步補償量cp，進行同步補償控制。
由于該系統是定值速度系統，因此Kn=1，其兩臺電要同步補償量為：
式中，cp為從動電機的同步速度補償控制輸出，α（k）、b（k）、k為從動電機補償計算量，其中k由現場工藝決定：
從動電機單閉環速度調節器控制輸出ud（k）采用增量式PID控制規律進行調節。對于某一時刻t，PLC通過增量式編碼器脈沖定時計數得到電機的反饋轉速n1，n2，定義同步偏差為e=n1-n2。
其中，最后可得到同步控制器的輸出從人機界面的速度歷史曲線上可以得到應用PID補償器前后的從動電機速度響應曲線。
加入PID補償控制器后，起動過程跟隨效果較好，消除了超調，而且上升時間明顯縮短，加擾動或急停時仍能保持很好的同步性。
2 結論
該控制系統在長春益成包裝廠投入運行半年多以來，整套系統一直運行正常，同步電機起動過程中跟隨性能和穩定性能均有明顯的改善，提高了生產線的運行速度和生產效率，取得了良好的經濟效益，在塑編包裝機械行業具有較好的推廣價值。