基于S7-200 PLC的纸张复合机张力控制系统设计方案

引言

在纸张复合机生产过程中，张力控制是确保产品质量和生产效率的关键因素。张力不当会导致纸张出现褶皱、变形甚至断裂，直接影响产品的质量和产量。传统的纸张复合机控制系统多采用分散的板卡和总线结构，因年久失修和生产环境的影响，往往存在系统不稳定、控制精度低等问题。为此，本文提出了一种基于S7-200 PLC的纸张复合机张力控制系统设计方案，旨在通过PLC的强大控制能力和稳定性，实现对复合机运行过程的恒张力控制。

系统概述

本系统以西门子S7-200系列PLC为核心控制器，结合直流电动机、磁粉制动器及张力检测器等设备，实现对纸张复合机放卷、贴合、印刷、卷取等各个环节的张力控制。系统通过实时采集各段张力数据，利用PID算法进行精确调节，确保张力恒定，从而提高产品质量和生产效率。

主控芯片型号及作用

S7-200 PLC型号选择

西门子S7-200系列PLC是小型、模块化的可编程控制器，广泛应用于各种工业自动化场合。在本系统中，考虑到控制点数、运算能力及性价比等因素，选择CPU226型PLC作为主控芯片。CPU226型PLC具有以下特点：

• 输入输出点数：具有24个数字量输入点和16个数字量输出点，满足系统对输入输出点数的基本需求。

• 扩展能力：可通过扩展模块（如EM221、EM223、EM235等）增加输入输出点数和模拟量处理能力，增强系统的灵活性和扩展性。

• 运算能力：内置高速CPU，支持多种运算指令和PID控制算法，能够满足系统对复杂控制策略的需求。

• 通信能力：支持PPI、MPI等多种通信协议，便于与上位机、触摸屏等设备进行数据交换和远程监控。

在设计中的作用

1. 逻辑控制：CPU226作为系统的核心控制器，负责接收来自张力检测器、编码器等传感器的输入信号，根据预设的控制策略（如PID算法）进行逻辑判断和处理，输出控制信号给磁粉制动器、直流电动机等执行元件，实现对纸张复合机运行过程的恒张力控制。

2. 数据处理：利用PLC的高速运算能力，对采集到的张力数据进行实时处理和分析，通过PID算法计算出控制量，并调整执行元件的输出，以维持张力的恒定。同时，PLC还能对系统状态进行监测和故障诊断，确保系统的稳定运行。

3. 通信与监控：CPU226支持多种通信协议，可方便地与上位机、触摸屏等设备进行数据交换和远程监控。通过上位机软件或触摸屏界面，操作人员可以实时查看系统运行状态、张力数据、报警信息等，实现对生产过程的全面监控和管理。

系统设计

系统结构

整个系统分为放卷张力从动控制和复合—印刷—收卷张力主动控制两部分。放卷张力控制采用磁粉制动器实现被动式的恒张力放卷；复合—印刷—收卷张力控制则通过调整复合辊、印刷辊和收卷辊电机的速度输出来实现。

硬件设计

1. 张力检测器：采用高精度张力检测器对各段张力进行实时检测，并将检测信号转换为电信号输入PLC。

2. 磁粉制动器：利用磁粉制动器控制放卷过程的张力。PLC根据张力偏差量调整磁粉制动器的制动电流大小，从而控制刹车输出制动转矩，使放卷张力维持在一定范围内。

3. 直流电动机：采用直流电动机作为拖动电机，通过直流调速器控制电机的转速和转矩。PLC根据张力控制需求调整直流调速器的输出参数，实现对电机转速和转矩的精确控制。

4. 扩展模块：根据系统需求选择相应的扩展模块（如EM221、EM223、EM235等）增加输入输出点数和模拟量处理能力。

软件设计

1. 程序结构：软件采用模块化设计思想，将程序分为多个功能模块（如张力检测模块、PID控制模块、电机控制模块等），便于程序的编写、调试和维护。

2. PID控制算法：在张力控制过程中，采用PID控制算法对张力偏差量进行处理，获得控制量并驱动执行元件。通过调整PID参数（比例系数Kp、积分时间Ti、微分时间Td）可以优化控制效果，提高系统的稳定性和响应速度。

3. 故障诊断与报警：在程序中设置故障诊断与报警功能，对系统运行状态进行实时监测。一旦发现异常情况（如张力过大、过小、电机故障等），立即发出报警信号并采取相应的处理措施。

系统实施与效果

系统实施

在系统实施阶段，首先需要完成硬件设备的选型、采购与安装。这包括S7-200 PLC、张力检测器、磁粉制动器、直流电动机及其调速器、扩展模块等关键设备的安装与接线工作。确保所有设备按照设计图纸和接线规范正确安装，并进行初步的电气测试，以验证设备间的通信与控制功能是否正常。

接下来，进行软件编程与调试。根据系统的控制需求，使用西门子STEP 7 Micro/WIN编程软件对S7-200 PLC进行编程。在编程过程中，需要编写张力检测模块、PID控制模块、电机控制模块等各个功能模块的程序代码，并设置合理的PID参数和控制逻辑。编程完成后，将程序下载到PLC中，进行实际的调试与测试。通过模拟运行和现场调试，逐步调整PID参数和控制策略，使系统达到最佳的控制效果。

在系统调试过程中，还需要进行人机交互界面的设计与开发。可以选择西门子Smart 700/1000 IE系列触摸屏作为人机交互界面，通过WinCC flexible软件进行界面设计。在界面上，可以实时显示张力数据、系统状态、报警信息等，并提供操作按钮和调节旋钮供操作人员使用。通过触摸屏界面，操作人员可以方便地监控系统运行状态，调整控制参数，实现远程控制和监控。

最后，进行系统集成与联调。将PLC、触摸屏、张力检测器、磁粉制动器、直流电动机等设备集成到纸张复合机上，进行整体的联调与测试。通过模拟实际生产过程，验证系统的控制精度、稳定性和可靠性是否满足设计要求。

系统效果

基于S7-200 PLC的纸张复合机张力控制系统实施后，取得了显著的效果：

1. 提高控制精度：采用高精度张力检测器和PID控制算法，实现了对纸张复合机运行过程的恒张力控制。控制精度显著提高，张力波动范围大幅减小，有效避免了纸张褶皱、变形和断裂等问题的发生。

2. 提升生产效率：通过优化控制策略和提高控制精度，降低了生产过程中的故障率和停机时间。同时，恒定的张力控制使得纸张复合过程更加稳定可靠，提高了生产效率和产品质量。

3. 增强系统稳定性：S7-200 PLC具有强大的抗干扰能力和稳定性，能够在恶劣的工业环境中稳定运行。同时，系统采用模块化设计思想，便于维护和升级，提高了系统的可靠性和可维护性。

4. 实现远程监控：通过触摸屏界面和通信协议的支持，实现了对纸张复合机运行过程的远程监控和管理。操作人员可以在控制室内实时查看系统状态、张力数据、报警信息等，提高了生产管理的便捷性和效率。

5. 降低能耗与成本：通过精确的张力控制和优化的电机控制策略，降低了系统的能耗和运行成本。同时，减少了因张力控制不当导致的纸张浪费和停机损失，进一步降低了生产成本。

综上所述，基于S7-200 PLC的纸张复合机张力控制系统设计方案在实际应用中取得了良好的效果，为纸张复合机生产过程的自动化、智能化提供了有力的支持。