一、  項(xiàng)目簡介

山東德州興泰紙業(yè)公司是山東照東方紙業(yè)集團(tuán)新建的具有國內(nèi)領(lǐng)先水平的高檔板紙生產(chǎn)企業(yè)。其高檔板紙項(xiàng)目為國家經(jīng)貿(mào)委批復(fù)立項(xiàng)的國家重點(diǎn)技術(shù)改造“雙高一優(yōu)”項(xiàng)目,。公司位于山東省平原縣龍門經(jīng)濟(jì)開發(fā)東區(qū),，占地500余畝，總投資5億元,，主要生產(chǎn)100-300g/m2環(huán)保型高檔工業(yè)板紙,。設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為20萬噸/年。該項(xiàng)目采用日本,、歐美等國家的先進(jìn)的生產(chǎn)工藝設(shè)備,，配置了國內(nèi)先進(jìn)的4400/450板紙機(jī)生產(chǎn)線，是國內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模最大的生產(chǎn)線之一,。項(xiàng)目工藝以美廢(歐廢,、國廢)，木漿為主要原料,?？蓞㈤?/span>下圖(一)。

                             圖(一)

         該4200/450紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)以西門子S7-400 PLC為主控制器,，以5個S7-200 PLC為輔助控制器,，同時配合5個OP270操作屏作為系統(tǒng)操作控制面板。由于該傳動系統(tǒng)共有傳動點(diǎn)40個,，再加上主從控制PLC,、操作屏，整個系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)共有50個,，必須采用高速通訊網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)交換與控制,，因此采用西門子profibus dp高速現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建整個傳動系統(tǒng)，從而保證系統(tǒng)反應(yīng)迅速及時,，并能可靠運(yùn)行,。

二、  控制系統(tǒng)構(gòu)成

紙機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下圖(二)所示：

圖(二)

    系統(tǒng)為三級控制方式,。

傳動系統(tǒng)第一級為變頻器控制級,，變頻器采用ABB公司ACS800系列multidrive多傳動控制器，配有閉環(huán)控制編碼器反饋板,，組成閉環(huán)控制系統(tǒng),。變頻器上還配有DP通訊板，與PLC組成PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時高速通訊,。

傳動系統(tǒng)第二級為PLC控制系統(tǒng),，PLC采用西門子公司大型S7-400 CPU為414-2DP，操作控制選用西門子OP270操作屏,。S7-400與變頻器,、OP270操作屏以及S7-200輔助PLC組成PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò),，完成整個紙機(jī)操作控制。

傳動系統(tǒng)第三級為上位優(yōu)化控制系統(tǒng),，采用DELL公司工業(yè)控制計(jì)算機(jī),用于整個紙機(jī)傳動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控,。上位機(jī)采用西門子組態(tài)軟件WINCC，可以通過工業(yè)以太網(wǎng)與QCS上位機(jī),、DCS上位機(jī),、車間管理級、廠級管理級等聯(lián)網(wǎng)控制,，實(shí)現(xiàn)紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)優(yōu)化控制和自動控制,。

三、  控制系統(tǒng)完成的功能

在紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)中,，根據(jù)工藝要求需要實(shí)現(xiàn)以下幾個主要的控制,。

1．速度鏈控制

     速度鏈結(jié)構(gòu)采用二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，先對各傳動點(diǎn)進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象,，確定速度鏈中各傳動點(diǎn)的編號,，此編號應(yīng)與傳動單元(本系統(tǒng)為逆變器)中設(shè)定的地址一致。即任一傳動點(diǎn)由三個數(shù)據(jù)(“父子兄”或“父子弟”)確定其在速度鏈中的位置,，填入位置寄存器相應(yīng)的數(shù)值,，從而構(gòu)成整個速度鏈結(jié)構(gòu)。

算法設(shè)計(jì)：

                  圖 (三) 速度鏈控制結(jié)構(gòu)示意

    如圖(三)所示我們把紙機(jī)第一分部點(diǎn)作為速度鏈中的主節(jié)點(diǎn),，即它的給定速度就決定整個紙機(jī)的工作車速,，調(diào)節(jié)其給定速度就調(diào)節(jié)了整個紙機(jī)車速。在PLC內(nèi),，我們檢測到車速調(diào)節(jié)信號則改變車速單元值,，1點(diǎn)處的速度就為第一臺變頻器的運(yùn)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(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,，可通過操作第二分部的加速、減速按鈕實(shí)現(xiàn),，PLC檢測到按鈕信號后調(diào)節(jié)b1即調(diào)整了變比,，使其適應(yīng)生產(chǎn)要求。相當(dāng)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,，某種原因需要用緊紙,、松紙時,，按下該分部緊紙、松紙按鈕,，PLC將對應(yīng)在速度鏈上附加一正或負(fù)的偏移量則實(shí)現(xiàn)緊紙,、松紙功能。圖中2點(diǎn)就包含了調(diào)速和緊紙,、松紙等操作指令的速度值,，將它送給第二臺變頻器執(zhí)行，同時送下一級計(jì)算,。依此類推,，構(gòu)成速度鏈控制系統(tǒng)。速度鏈的分支設(shè)計(jì)采用父子算法,，可以構(gòu)成任意分支的速度鏈結(jié)構(gòu),。

本速度鏈的設(shè)計(jì)不僅只是為實(shí)現(xiàn)紙機(jī)傳動控制要求，而且為后續(xù)的計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制提供了可能,。在PLC內(nèi)部有非常精確的傳動變比,，我們設(shè)計(jì)為精度為0.001%，通過設(shè)定參數(shù)可以做到更高,。這樣有精確的傳動變比上位計(jì)算機(jī)可以精確地記憶紙機(jī)傳動過程參數(shù),，當(dāng)需要更換品種或車速時，上位計(jì)算機(jī)可以準(zhǔn)確地將紙機(jī)運(yùn)行參數(shù)傳入到PLC,，由PLC執(zhí)行,，將紙機(jī)調(diào)整到當(dāng)前工作狀態(tài)。

  2．負(fù)荷分配控制

     在紙機(jī)傳動控制過程中經(jīng)常遇到由幾臺電機(jī)同時拖動同一負(fù)載的情況,。例如壓榨部兩輥壓榨,，上下傳動輥都有自己的傳動電機(jī)，通過加壓同步運(yùn)行,。所以類似這樣的傳動只有電動機(jī)速度同步并不能滿足實(shí)際系統(tǒng)的工作要求,，實(shí)際系統(tǒng)還要求各傳動點(diǎn)電機(jī)負(fù)載率相同，否則會造成一個傳動點(diǎn)由于過載而過流,，另一傳動點(diǎn)則由于被拖動而過壓,，由此可能造成傳動單元報警甚至停機(jī)，影響生產(chǎn),。因此這兩個傳動點(diǎn)之間需要進(jìn)行負(fù)荷分配控制,。

 負(fù)荷分配原理：在多電機(jī)傳動過程中要求各傳動點(diǎn)電機(jī)負(fù)載率相同，即δ=P_i/P_ie相同（P_i為i電機(jī)所承擔(dān)負(fù)載功率,，P_ie為電機(jī)額定功率）,。而且在負(fù)荷分配調(diào)節(jié)過程中不能影響其它各分部的速度。所以我們采用速度鏈主鏈與子鏈相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法,。

本系統(tǒng)中共有11組負(fù)荷分配傳動點(diǎn),。包括網(wǎng)部4組,，壓榨部3組，烘缸部3組以及施膠部1組,。PLC采集負(fù)荷分配點(diǎn)的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩,，求出每組總的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，根據(jù)總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩計(jì)算負(fù)載均衡時的期望轉(zhuǎn)矩值,，如下式：

其中： T是均衡時的期望轉(zhuǎn)矩值,；

    Pie是負(fù)荷分配各點(diǎn)的額定功率； Ti是各點(diǎn)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩,。

主控PLC由DP總線通過通訊取得各點(diǎn)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩,，通過上式計(jì)算出負(fù)荷均衡時的期望轉(zhuǎn)矩作為給定值，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動單元的輸出,，使各點(diǎn)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩值趨向一致,。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，使負(fù)荷分配傳動點(diǎn)處于速度鏈的支鏈上,，則當(dāng)調(diào)節(jié)該點(diǎn)負(fù)荷時,，不會影響其他傳動點(diǎn)；同時還要考慮到調(diào)節(jié)負(fù)荷分配各點(diǎn)的輸出時設(shè)置輸出限幅,，以免速差過大造成設(shè)備損害,。

  3．液壓壓力閉環(huán)控制

在國內(nèi)多數(shù)紙機(jī)中，壓榨部加壓及卷取部主臂加壓大多采用手動閥操作的開環(huán)控制,，壓力調(diào)節(jié)精度較差,，壓力不易保持穩(wěn)定。在本系統(tǒng)中采用壓力閉環(huán)控制系統(tǒng),，不但使得壓力調(diào)節(jié)精度提高,，而且壓力穩(wěn)定，從而對紙機(jī)的正常生產(chǎn)提供了保證,。

設(shè)計(jì)中要得到較高的控制質(zhì)量,，首先要對壓力值進(jìn)行校準(zhǔn)。由于壓力傳感器本身的非線性,，因此可采用分段線性化對壓力值進(jìn)行校準(zhǔn),，即使得現(xiàn)場壓力表的顯示值和操作屏上的顯示值達(dá)到一致。一般而言,，可以把校準(zhǔn)范圍分為三段,，因?yàn)閴毫鞲衅鲀蓚?cè)線性較差，而在中間段線性較好,。

對壓力值進(jìn)行校準(zhǔn)之后,，通過PID控制算法實(shí)施壓力閉環(huán)控制，適當(dāng)整定PID參數(shù)即可達(dá)到壓力的穩(wěn)定輸出控制,。實(shí)際設(shè)計(jì)中,，壓力的實(shí)際值通過壓榨部S7-200輔助PLC采集后濾波處理并進(jìn)行閉環(huán)控制程序設(shè)計(jì),，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)通過DP總線送入主控PLC中，在通過操作屏進(jìn)行顯示及參數(shù)設(shè)置,。

另外，還要考慮到壓差自動抬輥,，手動/自動切換,，預(yù)壓/加壓控制等控制環(huán)節(jié)。

  4．張力控制

  根據(jù)紙機(jī)工藝要求,，在施膠機(jī)前,、壓光機(jī)前加入張力傳感器。張力傳感器將張力信號送入PLC,，在操作臺上的操作屏上進(jìn)行張力設(shè)定,，PLC根據(jù)張力設(shè)定值和張力傳感器的反饋值進(jìn)行調(diào)節(jié)。保持張力恒定準(zhǔn)確,。并在操作臺的操作屏上顯示實(shí)際張力,。

張力傳感器檢測紙頁的張力信號送入S7-400 PLC內(nèi)，根據(jù)在操作屏上的張力設(shè)定進(jìn)行計(jì)算,，調(diào)節(jié)其后傳動輥的輸出轉(zhuǎn)矩,，維持紙頁張力恒定，實(shí)現(xiàn)張力閉環(huán)控制,。在張力傳感器前加有斷紙檢測,，出現(xiàn)斷紙，可以自動退出張力控制模式,，自動轉(zhuǎn)為速度控制模式,。待紙頁重新引上后，斷紙信號消失,，自動轉(zhuǎn)換為張力控制模式,。

PLC內(nèi)采用PID控制算法，并帶有速度限幅,，防止斷紙時出現(xiàn)飛車現(xiàn)象,。PLC對張力傳感器信號進(jìn)行分析，可以及時報警并有效預(yù)防張力傳感器故障對生產(chǎn)的影響,。

張力控制可以通過操作屏選擇投入/退出功能,。

  5．自動換卷控制

要實(shí)現(xiàn)自動換卷功能，必須紙機(jī)的機(jī)械,、液壓,、氣動及電氣等各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到較高的控制精度和可靠性，否則可能造成設(shè)備及人員損傷,。因此在卷紙機(jī)的相關(guān)部位共裝有23個接近開關(guān),，用來檢測卷紙機(jī)換卷過程中各部位動作到位情況,。

在設(shè)計(jì)中采用“手動/半自動/全自動”三種控制模式。“手動”模式下,，純粹以手動操作,；“半自動” 模式下，整個換卷過程分為連續(xù)的幾個階段,，每完成一個階段,，系統(tǒng)檢測當(dāng)前各部分是否到位，并給出提示信號,，如果正常則可繼續(xù)進(jìn)行下一階段,，否則系統(tǒng)報警提示，并停止動作以便操作人員處理,。“全自動”模式時,，正常情況下系統(tǒng)完全自動運(yùn)行，一旦檢測到某部分運(yùn)行不到位,，則立即停止動作并給出聲光報警提示,，由操作人員進(jìn)行處理。

設(shè)計(jì)中接近開關(guān)的檢測信號送入卷取部S7-200輔助PLC中,，并通過DP總線送入主控PLC進(jìn)行處理,，在操作屏上顯示檢測信號狀態(tài)及提示信息等，配合操作人員及時掌握自動換卷運(yùn)行狀態(tài),。整個自動換卷程序在輔助PLC中運(yùn)行,。

四、  項(xiàng)目運(yùn)行

    該系統(tǒng)自從2006年8月開始投入運(yùn)行,，經(jīng)過一段時間的機(jī)械磨合期,，操作人員熟練之后，系統(tǒng)的調(diào)速精度,、動態(tài)響應(yīng),、負(fù)荷分配調(diào)節(jié)效果、系統(tǒng)穩(wěn)定性等各方面指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,，滿足生產(chǎn)的需要,，最終得到用戶的肯定。

五,、  應(yīng)用體會

    通過上百套大中小型各類西門子PLC在紙機(jī)傳動系統(tǒng)中的實(shí)踐應(yīng)用,，驗(yàn)證了其在工業(yè)現(xiàn)場的可靠性，靈活性以及方便易用性都具有很強(qiáng)的競爭力,，特別是profibus dp總線其高速通訊性能,，靈活的配置組態(tài)，現(xiàn)已成為國際標(biāo)準(zhǔn)總線之一，其在中大型紙機(jī)自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛,。

參考文獻(xiàn)

[1]SIEMENS STEP7 V5.1編程手冊.西門子股份有限公司,，1998

[2]深入淺出S7-300 PL.西門子(中國)有限公司自動化與驅(qū)動集團(tuán).北京航空航天大學(xué)出版社，2004

[3]ACS800固件手冊 系統(tǒng)軟件7.X.北京ABB電氣傳動系統(tǒng)有限公司,，2002

[4]紙機(jī)變頻傳動原理與設(shè)計(jì).孟彥京.陜西人民出版社

相關(guān)評論