S7300及G120在喷绘布设备的应用.docx

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S7300及G120在喷绘布设备的应用

S7-300及G120在喷绘布设备的应用

ApplicationofS7-300andG120inprintingclothequipment

JNRAPCWangAiChen

摘要：

本文介绍了西门子S7-300及G120等产品在广告布生产线中的应用。

重点包括速

度链的计算，收卷和储布活套的张力控制，温度和速度的配合控制，实现两种材料在要求的

温度下粘合。

一、项目简介

青岛恒昌泰机械有限公司是一家科技开发、技术咨询、设备制造及技术改造为一体的综合性高新技术企业，该公司生产喷绘布机器。

喷绘布俗称灯箱布,是一种以PVC为原材料经过一定的制作工艺生产的,主要用于户外广告喷绘制作的一种喷绘材料。

制作工艺主要有刀刮法和贴合法两种。

本项目采用贴合法，将上下两层成型PVC膜，通过加热，在热辊的压力下与中间的导光纤维网贴合在一起，冷却成形。

此种工艺最大的特点是具备优良喷绘吸墨性和较强的色彩表现力。

目前国内生产的喷绘布在中国的市场占有率已超过70%,而且国内生产技术成熟,价廉物美,产品大量出口。

二、控制系统组成

工艺流程介绍:

该设备的生产工艺是利用双工位的底膜面膜导开装置，通过展平工艺、预热工艺、加热工艺，将两种膜加热到复合温度，连同双工位的网格布共三层复合在一起。

通过冷却装置冷却，进入全自动储料装置，用卷取机卷成大卷，然后用包装机按照100米/卷打包装。

此设备加热部分可以用燃气、燃油、燃煤锅炉，也可以用电加热，通过PLC控温，对底膜面膜加热，此设备用燃煤锅炉加热。

如图：

1-基布进入方向、2-面膜进入方向、3-里膜进入方向。

在里膜和面膜分别经预热辊A、B快速加热至表面熔融后，在加热辊C上由压辊作用与基布粘合，再经过冷却区D，然后通过储布活套，最后到F收卷包装。

基布规格1m~3m，双面贴合PVC薄膜，进布速度：

10~35m/min，进膜速度、出布速度和进布速度一致，大辊温度、中辊温度与速度配合控制。

由以上可见生产线的速度控制和温度控制是此项目控制部分的重点，后面也会主要介绍这两方面的内容。

部分设备图片：

网络视图

硬件配置视图

控制系统采用DP总线互连，通讯速率采用1.5M，通讯稳定可靠。

主要由下面几部分组成：

1．CPU313C-2DP

实现整条生产线的自动化控制。

2．HMIKTP1000

负责整条生产线的重要参数（速度、温度）的设定，分布设备的启停，速度微调，报警视图，实时趋势等。

3．G120

开卷、收卷、储布（活套）电机、复合辊、冷却辊、牵引辊、大辊1、大辊2、中辊1、中辊2等设备有速度链和张力的配合控制要求。

主要包括速度微调功能，速度和温度配合调节功能，活套和收卷、开卷配合功能等。

4.AI、AO模块

实现PVC材料贴合时的温度控制，随着生产线的速度变化而变化，主要包括四个测温点及四个温度阀门的控制。

5.DI 、DO模块

主要是外围辅机设备的控制，例如液压站电机、电磁阀的控制、压辊气阀的控制等。

三、控制系统完成的功能

1．速度链控制

本项目的速度链采用了以MPM为主干单位的控制方式，通过输入的参数计算得到转换系数，再由之转换成变频器的速度命令值和反馈值。

速度链带有设定斜率功能，可以设定每个分布设备的升降速时间，及主车速的总升降时间，通过程序内的升降速配合可以保证前后分部在升降速时速差恒定。

前后分部速度使用了调节速比，计算速差显示的方式，适合于中低速生产线控制。

速差功能，带有直接计算当前速差和给定速差的功能。

调节微调系数时，是用速差调节量作为微调单位。

该值也可以设定，默认为0.1m/min/次，按一下微升一个单位，车速就提高0.1m/min。

特点：

间接速差调节。

计算公式：

V1：

电机转速是n1时的线速度（测速表测出）

V2：

电机转速是n2时的线速度（测速表测出）

n1：

驱动给定转速1n2：

驱动给定转速2

ratio：

驱动单位线速度的给定转速

生产线的线速度给定VsetV0：

驱动器接收到的速度设定值

计算公式如下：

1）ratio=（n2-n1）/（V2-V1）

2）V0=Vset*ratio=Vset*（n2-n1）/（V2-V1）

程序如下图：

2、速度微升及微降

程序中通过微调减速比ratio，实现速度给定的微小变化，同时改变的值被实时记录下来，下次再次启动生产线还是按照微调后的减速比运行。

若发现减速比微调后效果不理想，则通过复位按钮写入初始值。

HMI触摸屏速度调节画面:

3、收卷和储布（活套）电机的张力配合控制

①在基频以下调频时，频率下降，负载转矩基本不随频率的下降而变化，各部分的功率的变化情况分析如下电机输出功率公式：

式中：

——电动机轴的输出功率，kw；

——电动机的转矩，

；

——电动机的转速，

。

从中可以看出，功率随着电机转速即频率的下降而下降。

随着输出频率的下降，输入端电压不变，频率不变，电流下降。

收卷卷径的计算是系统控制的重点,目的是通过实时变化的卷径,控制收卷的线速度恒定,从而保证收卷的张力恒定。

控制的原理是：

收卷变频器的速度，根据生产线速度给定和收卷筒的卷径，算出收卷转速作为收卷转速的主设定值，张力反馈回变频器做PID整定，整定结果叠加到收卷变频器的输出中。

PLC实时运算收卷筒的卷径，根据不同卷径，然后运算出收卷变频器的实时转速。

收卷卷径计算公式：

ratio：

减速比

V0：

收卷当前线速度M/min

D0：

收卷初始直径

D2：

收卷实时直径

1）收卷电机的转速n0:

n0=v0*1000/π*D2

2）收卷电机驱动器的转速n2：

n2=n0/ratio

3）收卷电机驱动器的给定Vset：

Vset/16384=n2/1500

4）收卷卷径

D2=V0*1000*16384/ratio*π*1500*Vset

同理可计算出放卷1和放卷2的实时卷径。

②储布活套的控制

储布前面及收卷前部各安装有一个张力传感器,通过张力传感器反馈控制PID微调控制储布速度及收卷速度。

储布的启动及停止分别与收卷1和收卷2及储布限位有关联，收卷启动后以生产线工艺速度的1.3倍旋转，储布以0.3倍生产线工艺速度旋转，储布套量下行，接近下部限位时储布停止，收卷以生产线工艺速度运行。

当收卷停止时，储布活套以生产线工艺速度，储存套量。

储布逻辑控制程序如下图：

4、温度控制的PID调节及与速度配合的控制

PID控制调节通过功能块FB58，实现温度控制阀的控制。

FB58的功能特性：

1）提供控制带（ControlZone）功能；

2）控制输出提供脉冲方式；

3）过程值转换增加对温度信号转换（PV_PER*0.1/0.01）方式的支持；

4）参数保存和重新装载；

5）控制器参数自整定功能；

6）设定值变化时的比例作用弱化功能。

在FB58中，对模拟量处理的过程流程图：

如图中所示，FB58提供有两个过程值的输入通道：

PV_IN和PV_PER，这两个通道用PVPER_ON来选择：

表1PVPER_ON参数

PVPER_ON

过程值输入

True

模拟量输入通道的数值直接从PV_PER输入

False

过程量以浮点型数据从PV_IN输入

注：

PVPER_ON的默认值为False。

对于PV_PER的输入，根据温度测量方式的不同，从模拟量输入通道过来的数据格式也有所不同，因此，FB58提供过程值格式转换的环节CRP_IN，其中涉及到参数PER_MODE：

表2PER_MODE参数

PER_MODE

转换方式

模拟量输入类型

单位

0

PV_PER*0.1

热电偶、热电阻：

标准型

℃/℉

1

PV_PER*0.01

热电阻：

气候型

℃/℉

2

PV_PER*100/27648

电压/电流

百分数%

注：

PER_MODE的默认值为0。

PID运算流程图：

从上述流程图中有如下几点信息：

-比例、积分和微分都是对比例和增益参数的乘积之积的运算，其在时间域上的表达式为：

-特殊地，在积分时间TI和微分时间TD为0的时候，积分作用和微分作用被取消激活，此时为纯比例控制。

项目中实现了生产线的速度和温度实时的变化调节。

生产线的速度是以温度为基础的，必须使测温点的温度在要求的范围内时，才允许加速或是减速；否则，有可能出现两种材料贴合布不好的情况。

因此，温度的计算和调节在本项目中，显得尤为重要。

我们在程序中设定三种类型的材料，三种速度的四个测温点的采样温度，共36个采样温度。

程序中指定好材料类型后，我们可确定要求的12个采样点的温度，根据采样点的速度和温度的对应值，可计算出实时速度需要的实时温度值。

根据工艺上要求，速度不能跨越式加速，加速或减速按照2m/min的步长，计算出温度和速差的比率，实现温度和速度的配合控制。

项目中生产线对应的速度及采样温度画面：

从上图中看出针对类型Ⅰ材料，生产线线速度是10m/min时，对应的一区温度是93℃、二区温度95℃、三区温度155℃、四区温度158℃；生产线线速度是22m/min时，对应的一区温度100℃、二区温度100℃、三区温度160℃、四区温度160℃；生产线速度是35m/min时对应的一区温度是110℃、二区温度是110℃、三区温度165℃、四区温度是165℃。

通过以上12个采样温度值，可以计算出生产线速度（变化）对应的温度值。

一区温度计算公式：

V1:

一区采样生产线速度1T1:

一区采样温度1

V2:

一区采样生产线速度2T2:

一区采样温度2

V3:

一区采样生产线速度3T3:

一区采样温度3

V0：

实时线速度T0：

实时计算出的需要的温度

1）V1≤V0≤V2时

T0=T1+（V0-V1）*（T2-T1）/（V2-V1）

2）V2

T0=T2+（V0-V2）*（T3-T2）/（V3-V2）

四、项目运行

设备调试完成后运行流畅，操作简单，只需输入采样点温度及实际想要的车速就可以实现生产线全自动的控制。

根据输入的采样点的温度，系统自动计算温度和速差的比率；通过PID指令功能块FB58实现了温度的精确控制，满足了客户的生产要求。

五、应用体会

通过DP网络，把项目中13台变频器及触摸屏挂在同一个总线上，大大减少了现场的布线，不但降低了设备的故障率,同时给客户节约了成本，且通讯稳定可靠，得到客户的认可。

针对温度控制的FB58功能块，使用起来非常可靠、方便，满足了客户的要求，实现了温度的精确控制。

六、参考文献

[1]西门子技术文档，S7-300可编程控制器系统手册

[2]西门子技术文档，温度PID控制功能块的使用。