一、  項目簡介

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)。其高檔板紙項目為國家經(jīng)貿(mào)委批復(fù)立項的國家重點技術(shù)改造“雙高一優(yōu)”項目。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)計生產(chǎn)能力為20萬噸/年。該項目采用日本、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。項目工藝以美廢(歐廢、國廢)，木漿為主要原料。可參閱下圖(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40個，再加上主從控制PLC、操作屏，整個系統(tǒng)的節(jié)點數(shù)共有50個，必須采用高速通訊網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)實時數(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，先對各傳動點進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，確定速度鏈中各傳動點的編號，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：

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

    如圖(三)所示我們把紙機(jī)第一分部點作為速度鏈中的主節(jié)點，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)的偏移量則實現(xiàn)緊紙、松紙功能。圖中2點就包含了調(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)計不僅只是為實現(xiàn)紙機(jī)傳動控制要求，而且為后續(xù)的計算機(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際系統(tǒng)的工作要求，實際系統(tǒng)還要求各傳動點電機(jī)負(fù)載率相同，否則會造成一個傳動點由于過載而過流，另一傳動點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)計方法。

本系統(tǒng)中共有11組負(fù)荷分配傳動點。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)荷分配各點的額定功率； Ti是各點的實際轉(zhuǎn)矩。

主控PLC由DP總線通過通訊取得各點的實際轉(zhuǎn)矩，通過上式計算出負(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，使各點的實際轉(zhuǎn)矩值趨向一致。在實際設(shè)計中，使負(fù)荷分配傳動點處于速度鏈的支鏈上，則當(dāng)調(diào)節(jié)該點負(fù)荷時，不會影響其他傳動點；同時還要考慮到調(diào)節(jié)負(fù)荷分配各點的輸出時設(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，因為壓力傳感器兩側(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。實際設(shè)計中，壓力的實際值通過壓榨部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，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)中的實踐應(yīng)用，驗證了其在工業(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。