一、前言
造紙機是由一系列配套設(shè)備組成的聯(lián)合機，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、卷紙機等在內(nèi)的分部設(shè)備，成為原紙；原紙又可以另外進入機外涂布和復卷機產(chǎn)出成品紙。
造紙是一個連續(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多采用滑差調(diào)速方式，經(jīng)過幾年或十幾年的生產(chǎn)運行，其弊端將日益明顯，設(shè)備電氣元件老化造成運行不穩(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、啟動電流小、運行穩(wěn)定可靠、節(jié)能效果好、自動控制方便易行和其它調(diào)速方式無法比擬的優(yōu)點，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的驅(qū)動，完成對造紙機的動力系統(tǒng)改造。
二、整體方案
系統(tǒng)采用PLC和變頻器控制方式，各個傳動點均采用按鈕在現(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，整個系統(tǒng)可以完成以下功能：
（1） 各分部傳動點可任意單獨啟動、停止和調(diào)速；
（2） 整機同步加、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，車速自動恢復為原運行車速的功能；
（5） 最高設(shè)計車速可根據(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)造紙機和生產(chǎn)工藝流程，紙機上的紙受到牽引力的作用，在濕部產(chǎn)生縱向伸長，在干部開始時紙張的縱向繼續(xù)伸長，當紙張的含水量降低后，紙張減少縱向伸長變形，在紙張進入壓光機和卷紙機時，紙張再度牽引而伸長，因此在整個紙機生產(chǎn)線中，各個分部的速度是不同的，這樣可以保持紙幅張力。同時，紙機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負責各分部和速度鏈計算，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)分為級聯(lián)速度微調(diào)和整機速度微調(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。首先對各傳動點進行數(shù)字抽象，確定速度鏈中各傳動點編號，此編號應(yīng)與變頻器的編號相一致。然后根據(jù)二叉數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確定各結(jié)點的上下、左或右編號，即任一傳動點由3個數(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 速度鏈計算及控制圖
該傳動點速度指令發(fā)給變頻器后，訪問位置寄存器，確定子寄存器結(jié)點號，若不為0，則對該點進行相應(yīng)處理，直到該鏈完全處理完，再查同級寄存器結(jié)點號，處理另一支鏈。故只須對位置寄存器初始化，即可構(gòu)成任意分支速度鏈。例如，如圖6所示，把紙機的第一分部點作為速度鏈中的主節(jié)點，即它的速度就決定整個紙機的工作速度，調(diào)節(jié)其給定速度就調(diào)節(jié)了整個紙機的車速。在PLC內(nèi)，檢測到車速調(diào)節(jié)信號則改變車速單元值，1點處的速度就是第一臺變頻器的運行速度設(shè)定值，將其送第一臺變頻器執(zhí)行，并送給第二臺計算。第一分部的速度值乘以第二分部的變比b1×a則為第二臺變頻器的給定值。若第二分部速度不滿足運行要求，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來達到所需的運行要求，調(diào)節(jié)過程相當于在PLC內(nèi)部有一個高精度的齒輪變速箱，可以任意無級調(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，按下該分部緊紙、松紙按鈕，PLC將在對應(yīng)的速度鏈上附加一正值或負值的偏移量來實現(xiàn)緊紙和松紙功能。圖中2點就包含了調(diào)速和緊紙、松紙等指令的速度值，將它送給第二臺變頻器執(zhí)行，同時送下一級計算。依次類推，構(gòu)成速度鏈控制系統(tǒng)。
2.2卷取張力控制
在造紙機的紙張卷取部分用張力控制，如果紙機對紙張的生產(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的模塊有兩個層次：通用功能模塊，如PID控制、多段頻率、自動節(jié)能運行等；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：1.兩個多功能比較器，可自定義故障；2.兩個可以實現(xiàn)與、或、異或等運算的邏輯單元；3.兩個定時器，可實現(xiàn)多種延時功能；4.一個可預置值、可掉電存儲的計數(shù)器；5.四個可以實現(xiàn)加、減、乘、除和絕對值等運算的算術(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，反饋信號還可以設(shè)置為模擬量的多種運算結(jié)果。PID可以預置，并且有兩套可以運行中切換的參數(shù)。
用戶可以隨心所欲地對SB70G的資源進行編程，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)需求提供解決平臺和一體化解決方案，對降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)可靠性具有極大價值。
系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如下圖所示：將主機（四缸或壓光變頻器）的運行頻率作為從機（壓光機或卷取變頻器）的主給定頻率，張力控制PID調(diào)節(jié)器的輸出對主給定頻率進行修正，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。主機的運行中信號作為從機的起停命令。
系統(tǒng)圖如下：
、張力間接計算檢測閉環(huán)方式
由代表生產(chǎn)紙線速度的主機（四缸或壓光機變頻器）運行頻率和卷繞紙張的實時卷徑計算出相應(yīng)的從機（卷取機）主給定頻率，以此作為前饋；同時用PID調(diào)節(jié)器控制紙張的張力PID輸出，對給定頻率進行不斷修正，將修正后的頻率作為卷取電機的給定頻率。這種前饋和反饋共用的復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％；
主機的模擬運行頻率（代表線速度）由AI1輸入。
計圈信號使用光電開關(guān)由“計數(shù)器增”輸入。
PID反饋值由張力傳感器向AI2輸入；
外加卷徑復位信號對計數(shù)值進行預置初值。
下面分兩部分來說明這種組合方法。
第一部分：卷取機給定頻率的計算。
用戶需要知道三個值，分別是初始卷徑、最終卷徑和紙張厚度。根據(jù)這三個值，計算出參數(shù)設(shè)置所需要的幾個數(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．計數(shù)器設(shè)定值＝最終卷徑/(紙張厚度×2)。
3．計數(shù)器預置值＝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％；
計數(shù)器設(shè)定值＝1000/(0.05×2)＝20000；
計數(shù)器預置值＝100/(0.05×2)＝2000。
此時計數(shù)器計數(shù)值（以設(shè)定計數(shù)值為100％）就相當于一個卷徑傳感器的輸出信號，即為實時的卷徑值D（以最終卷徑為100％）。計數(shù)器的掉電記憶實現(xiàn)了卷徑掉電記憶功能，計數(shù)器復位實現(xiàn)了卷徑復位到初始卷徑的功能。
主機頻率為F0，從機頻率為F，當前卷徑值為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計算F0（即AI1）乘以算術(shù)單元3的輸出，即為F的值。此時算數(shù)單元2的結(jié)果即為卷取機的主給定頻率，所以將卷取機的頻率給定通道設(shè)成算術(shù)單元2給定。這樣就完成了卷取機主給定頻率的設(shè)定。
第二部分：PID的給定計算。
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時張力值，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。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，包括將主機的運行中信號作為從機的起動信號，使從機跟隨主機運行；根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)PID的相關(guān)參數(shù)，達到最好的控制效果。
造紙機各分部傳動自動控制采用PLC和變頻器共同控制的方法，是目前造紙傳動設(shè)計和改造的發(fā)展方向，它的實用性、可靠性、經(jīng)濟性以及智能性為用戶提供了很高的性能價格比。改造后的設(shè)備自動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，變頻器的低速運行省電特點將給用戶帶來可觀的經(jīng)濟效益。
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