一、前言
造紙機(jī)是由一系列配套設(shè)備組成的聯(lián)合機(jī)，分濕部和干部兩大部分。濕部包括上漿流送系統(tǒng)、網(wǎng)部和壓榨部分，干部包括烘干、壓光和卷取部分。其生產(chǎn)流程一般是：漿料通過上漿流送系統(tǒng)傳送到紙機(jī)生產(chǎn)線的前端流漿箱，然后漿料由此依次通過網(wǎng)部、壓榨、前烘干、后烘干、壓光、卷紙機(jī)等在內(nèi)的分部設(shè)備，成為原紙；原紙又可以另外進(jìn)入機(jī)外涂布和復(fù)卷機(jī)產(chǎn)出成品紙。
造紙是一個(gè)連續(xù)的生產(chǎn)過程，因此生產(chǎn)線的連續(xù)和有序控制成為了制約成品紙質(zhì)量和產(chǎn)量的瓶頸。由于以前的中小型造紙機(jī)多采用滑差調(diào)速方式，經(jīng)過幾年或十幾年的生產(chǎn)運(yùn)行，其弊端將日益明顯，設(shè)備電氣元件老化造成運(yùn)行不穩(wěn)定，故障率高，斷紙率高，產(chǎn)品質(zhì)量越來越難以控制，且滑差調(diào)速方式浪費(fèi)了大量的電能。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，變頻器因具有調(diào)速平穩(wěn)、調(diào)速范圍大、效率高、啟動(dòng)電流小、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、節(jié)能效果好、自動(dòng)控制方便易行和其它調(diào)速方式無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，在各種工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)擬定用變頻器作為各分部電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，完成對(duì)造紙機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)改造。
二、整體方案
系統(tǒng)采用PLC和變頻器控制方式，各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)均采用按鈕在現(xiàn)場調(diào)速，系統(tǒng)框圖見（圖6），變頻器采用森蘭SB70G系列，PLC采用S7-200系列，整個(gè)系統(tǒng)可以完成以下功能：
（1） 各分部傳動(dòng)點(diǎn)可任意單獨(dú)啟動(dòng)、停止和調(diào)速；
（2） 整機(jī)同步加、減速；
（3） 調(diào)某一分部車速能使該分部及其以后所有分部車速同線速度調(diào)整；
（4） 具有緊紙后，車速自動(dòng)恢復(fù)為原運(yùn)行車速的功能；
（5） 最高設(shè)計(jì)車速可根據(jù)生產(chǎn)要求調(diào)整；
（6） 緊急停車功能。
2.1速度鏈控制
根據(jù)造紙機(jī)和生產(chǎn)工藝流程，紙機(jī)上的紙受到牽引力的作用，在濕部產(chǎn)生縱向伸長，在干部開始時(shí)紙張的縱向繼續(xù)伸長，當(dāng)紙張的含水量降低后，紙張減少縱向伸長變形，在紙張進(jìn)入壓光機(jī)和卷紙機(jī)時(shí)，紙張?jiān)俣葼恳扉L，因此在整個(gè)紙機(jī)生產(chǎn)線中，各個(gè)分部的速度是不同的，這樣可以保持紙幅張力。同時(shí)，紙機(jī)各分部的速度必須是可以調(diào)節(jié)的，這樣可以避免紙幅松馳或繃緊而斷頭，各分部的速度微調(diào)范圍為（10-15%）。
在控制系統(tǒng)中各分部的速度同步由PLC和變頻器共同完成，PLC負(fù)責(zé)各分部和速度鏈計(jì)算，由變頻器執(zhí)行PLC所發(fā)出的速度指令，變頻器自己完成速度微調(diào)（速度微調(diào)分為級(jí)聯(lián)速度微調(diào)和整機(jī)速度微調(diào)）。
變頻器速度鏈結(jié)構(gòu)采用二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，用于完成傳遞功能。首先對(duì)各傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字抽象，確定速度鏈中各傳動(dòng)點(diǎn)編號(hào)，此編號(hào)應(yīng)與變頻器的編號(hào)相一致。然后根據(jù)二叉數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確定各結(jié)點(diǎn)的上下、左或右編號(hào)，即任一傳動(dòng)點(diǎn)由3個(gè)數(shù)據(jù)組成，確定其在數(shù)據(jù)鏈中的位置，填位置寄存器數(shù)值。如圖7所示：
N1=b1(N0+△N0) N2=b2(N1+△N1) N3=b3(N2+△N2) N4=b4(N3+△N3)
N5=b5(N4+△N4) N6=b6(N5+△N5) N7=b7(N6+△N6) N8=b8(N7+△N7)
圖7 速度鏈計(jì)算及控制圖
該傳動(dòng)點(diǎn)速度指令發(fā)給變頻器后，訪問位置寄存器，確定子寄存器結(jié)點(diǎn)號(hào)，若不為0，則對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)處理，直到該鏈完全處理完，再查同級(jí)寄存器結(jié)點(diǎn)號(hào)，處理另一支鏈。故只須對(duì)位置寄存器初始化，即可構(gòu)成任意分支速度鏈。例如，如圖6所示，把紙機(jī)的第一分部點(diǎn)作為速度鏈中的主節(jié)點(diǎn)，即它的速度就決定整個(gè)紙機(jī)的工作速度，調(diào)節(jié)其給定速度就調(diào)節(jié)了整個(gè)紙機(jī)的車速。在PLC內(nèi)，檢測到車速調(diào)節(jié)信號(hào)則改變車速單元值，1點(diǎn)處的速度就是第一臺(tái)變頻器的運(yùn)行速度設(shè)定值，將其送第一臺(tái)變頻器執(zhí)行，并送給第二臺(tái)計(jì)算。第一分部的速度值乘以第二分部的變比b1×a則為第二臺(tái)變頻器的給定值。若第二分部速度不滿足運(yùn)行要求，說明第二分部變比不合適，可通過調(diào)節(jié)第二分部的變比b1來達(dá)到所需的運(yùn)行要求，調(diào)節(jié)過程相當(dāng)于在PLC內(nèi)部有一個(gè)高精度的齒輪變速箱，可以任意無級(jí)調(diào)速。若正常生產(chǎn)中變比合適，因某種原因需要用緊紙、松紙時(shí)，按下該分部緊紙、松紙按鈕，PLC將在對(duì)應(yīng)的速度鏈上附加一正值或負(fù)值的偏移量來實(shí)現(xiàn)緊紙和松紙功能。圖中2點(diǎn)就包含了調(diào)速和緊紙、松紙等指令的速度值，將它送給第二臺(tái)變頻器執(zhí)行，同時(shí)送下一級(jí)計(jì)算。依次類推，構(gòu)成速度鏈控制系統(tǒng)。
2.2卷取張力控制
在造紙機(jī)的紙張卷取部分用張力控制，如果紙機(jī)對(duì)紙張的生產(chǎn)要求比較高，則可以在壓光部分也加入張力閉環(huán)控制，對(duì)張力控制可以提供兩種方案以供選擇:1)張力直接檢測閉環(huán)方式；2)張力間接計(jì)算檢測閉環(huán)控制方式。張力控制變頻器采用SB70G系列。
1、張力直接檢測閉環(huán)方式
SB70G的模塊有兩個(gè)層次：通用功能模塊，如PID控制、多段頻率、自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行等；行業(yè)專用功能模塊，如位置控制，紡織應(yīng)用、恒壓供水應(yīng)用等。SB70G還具有豐富的可編程模塊，功能非常完整，編程靈活方便，包括：1.兩個(gè)多功能比較器，可自定義故障；2.兩個(gè)可以實(shí)現(xiàn)與、或、異或等運(yùn)算的邏輯單元；3.兩個(gè)定時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)多種延時(shí)功能；4.一個(gè)可預(yù)置值、可掉電存儲(chǔ)的計(jì)數(shù)器；5.四個(gè)可以實(shí)現(xiàn)加、減、乘、除和絕對(duì)值等運(yùn)算的算術(shù)單元。
此外SB70G還內(nèi)置功能完備的過程PID，在閉環(huán)張力控制中應(yīng)用必不可少。具體可見下圖：
PID的輸入和反饋通道有很多種選擇，反饋信號(hào)還可以設(shè)置為模擬量的多種運(yùn)算結(jié)果。PID可以預(yù)置，并且有兩套可以運(yùn)行中切換的參數(shù)。
用戶可以隨心所欲地對(duì)SB70G的資源進(jìn)行編程，既可以利用它的可編程功能模塊來配合專用功能模塊的使用，更可以使用通用功能模塊和可編程模塊來實(shí)現(xiàn)各種行業(yè)的專用功能。SB70G的可編程功能模塊就像一組七巧板，可以在用戶的手中組合成無數(shù)種理想的圖案。這使它能給各種行業(yè)需求提供解決平臺(tái)和一體化解決方案，對(duì)降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)可靠性具有極大價(jià)值。
系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如下圖所示：將主機(jī)（四缸或壓光變頻器）的運(yùn)行頻率作為從機(jī)（壓光機(jī)或卷取變頻器）的主給定頻率，張力控制PID調(diào)節(jié)器的輸出對(duì)主給定頻率進(jìn)行修正，使反饋張力與給定張力無偏差。將張力傳感器的輸出信號(hào)作為PID反饋，PID給定通過數(shù)字設(shè)定成理想的張力值。主機(jī)的運(yùn)行中信號(hào)作為從機(jī)的起停命令。
系統(tǒng)圖如下：
、張力間接計(jì)算檢測閉環(huán)方式
由代表生產(chǎn)紙線速度的主機(jī)（四缸或壓光機(jī)變頻器）運(yùn)行頻率和卷繞紙張的實(shí)時(shí)卷徑計(jì)算出相應(yīng)的從機(jī)（卷取機(jī)）主給定頻率，以此作為前饋；同時(shí)用PID調(diào)節(jié)器控制紙張的張力PID輸出，對(duì)給定頻率進(jìn)行不斷修正，將修正后的頻率作為卷取電機(jī)的給定頻率。這種前饋和反饋共用的復(fù)合控制方法控制精度很高，很多張力控制專用的變頻器都使用了這種方法。而SB70G可以通過可編程模塊來編程實(shí)現(xiàn)這種控制，使用方便，方法靈活。系統(tǒng)控制框圖如下：
SB70G紙張卷繞機(jī)張力控制系統(tǒng)圖
注：圖中D0為初始卷徑百分比值，以最終卷徑為100％；
T0為初始張力值，以張力傳感器最大張力為100％；
K為張力錐度系數(shù)，由用戶設(shè)定，范圍為0～100％；
主機(jī)的模擬運(yùn)行頻率（代表線速度）由AI1輸入。
計(jì)圈信號(hào)使用光電開關(guān)由“計(jì)數(shù)器增”輸入。
PID反饋值由張力傳感器向AI2輸入；
外加卷徑復(fù)位信號(hào)對(duì)計(jì)數(shù)值進(jìn)行預(yù)置初值。
下面分兩部分來說明這種組合方法。
第一部分：卷取機(jī)給定頻率的計(jì)算。
用戶需要知道三個(gè)值，分別是初始卷徑、最終卷徑和紙張厚度。根據(jù)這三個(gè)值，計(jì)算出參數(shù)設(shè)置所需要的幾個(gè)數(shù)值，具體包括：
1．初始卷徑百分比值D0＝初始卷徑/最終卷徑。
2．計(jì)數(shù)器設(shè)定值＝最終卷徑/(紙張厚度×2)。
3．計(jì)數(shù)器預(yù)置值＝初始卷徑/(紙張厚度×2)。
以下面的例子說明：
假設(shè)紙張的最終卷徑為1000mm，初始卷徑為100mm，薄膜厚度為0.05mm，則：
D0＝100/1000＝10％；
計(jì)數(shù)器設(shè)定值＝1000/(0.05×2)＝20000；
計(jì)數(shù)器預(yù)置值＝100/(0.05×2)＝2000。
此時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值（以設(shè)定計(jì)數(shù)值為100％）就相當(dāng)于一個(gè)卷徑傳感器的輸出信號(hào)，即為實(shí)時(shí)的卷徑值D（以最終卷徑為100％）。計(jì)數(shù)器的掉電記憶實(shí)現(xiàn)了卷徑掉電記憶功能，計(jì)數(shù)器復(fù)位實(shí)現(xiàn)了卷徑復(fù)位到初始卷徑的功能。
主機(jī)頻率為F0，從機(jī)頻率為F，當(dāng)前卷徑值為D（以最終卷徑為100％），則可以知道：
F0×D0＝F×D；
即可以算出F＝F0×(D0/D)；
先通過算術(shù)單元3算出D0/D的值；再通過算術(shù)單元2計(jì)算F0（即AI1）乘以算術(shù)單元3的輸出，即為F的值。此時(shí)算數(shù)單元2的結(jié)果即為卷取機(jī)的主給定頻率，所以將卷取機(jī)的頻率給定通道設(shè)成算術(shù)單元2給定。這樣就完成了卷取機(jī)主給定頻率的設(shè)定。
第二部分：PID的給定計(jì)算。
采用閉環(huán)張力控制的方法，PID的給定值應(yīng)該設(shè)定為用戶需要的張力值。算術(shù)單元1的結(jié)果即為用戶需要的實(shí)時(shí)張力值，將PID的給定通道選擇為算術(shù)單元1給定。這就完成了PID給定通道的設(shè)定。
至此，就完成了張力控制方案設(shè)計(jì)。此外，還要把控制需要的一些外部接線和參數(shù)設(shè)置做好，包括將主機(jī)的運(yùn)行中信號(hào)作為從機(jī)的起動(dòng)信號(hào)，使從機(jī)跟隨主機(jī)運(yùn)行；根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)PID的相關(guān)參數(shù)，達(dá)到最好的控制效果。
造紙機(jī)各分部傳動(dòng)自動(dòng)控制采用PLC和變頻器共同控制的方法，是目前造紙傳動(dòng)設(shè)計(jì)和改造的發(fā)展方向，它的實(shí)用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及智能性為用戶提供了很高的性能價(jià)格比。改造后的設(shè)備自動(dòng)化程度比以前大幅提高，產(chǎn)品生產(chǎn)過程更加穩(wěn)定可靠，變頻器的低速運(yùn)行省電特點(diǎn)將給用戶帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
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