一、前言

造紙機是由一系列配套設備組成的聯(lián)合機，分濕部和干部?jì)纱蟛糠?。濕部包括上漿流送系統、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(guò)上漿流送系統傳送到紙機生產(chǎn)線(xiàn)的前端流漿箱，然后漿料由此依次通過(guò)網(wǎng)部、壓榨、前烘干、后烘干、壓光、卷紙機等在內的分部設備，成為原紙；原紙又可以另外進(jìn)入機外涂布和復卷機產(chǎn)出成品紙。

造紙是一個(gè)連續的生產(chǎn)過(guò)程，因此生產(chǎn)線(xiàn)的連續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速方式，經(jīng)過(guò)幾年或十幾年的生產(chǎn)運行，其弊端將日益明顯，設備電氣元件老化造成運行不穩定，故障率高，斷紙率高，產(chǎn)品質(zhì)量越來(lái)越難以控制，且滑差調速方式浪費了大量的電能。隨著(zhù)變頻技術(shù)的發(fā)展，變頻器因具有調速平穩、調速范圍大、效率高、啟動(dòng)電流小、運行穩定可靠、節能效果好、自動(dòng)控制方便易行和其它調速方式無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，在各種工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用?，F擬定用變頻器作為各分部電機的驅動(dòng)，完成對造紙機的動(dòng)力系統改造。

二、整體方案

系統采用PLC和變頻器控制方式，各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)均采用按鈕在現場(chǎng)調速，系統框圖見(jiàn)（圖6），變頻器采用森蘭SB70G系列，PLC采用S7-200系列，整個(gè)系統可以完成以下功能：

（1）    各分部傳動(dòng)點(diǎn)可任意單獨啟動(dòng)、停止和調速；

（2）    整機同步加、減速；

（3）    調某一分部車(chē)速能使該分部及其以后所有分部車(chē)速同線(xiàn)速度調整；

（4）    具有緊紙后，車(chē)速自動(dòng)恢復為原運行車(chē)速的功能；

（5）    最高設計車(chē)速可根據生產(chǎn)要求調整；

（6）    緊急停車(chē)功能。

2.1速度鏈控制

根據造紙機和生產(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(cháng)，在干部開(kāi)始時(shí)紙張的縱向繼續伸長(cháng)，當紙張的含水量降低后，紙張減少縱向伸長(cháng)變形，在紙張進(jìn)入壓光機和卷紙機時(shí)，紙張再度牽引而伸長(cháng)，因此在整個(gè)紙機生產(chǎn)線(xiàn)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)，紙機各分部的速度必須是可以調節的，這樣可以避免紙幅松馳或繃緊而斷頭，各分部的速度微調范圍為（10-15%）。

在控制系統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，由變頻器執行PLC所發(fā)出的速度指令，變頻器自己完成速度微調（速度微調分為級聯(lián)速度微調和整機速度微調）。

變頻器速度鏈結構采用二叉樹(shù)數據結構算法，用于完成傳遞功能。首先對各傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行數字抽象，確定速度鏈中各傳動(dòng)點(diǎn)編號，此編號應與變頻器的編號相一致。然后根據二叉數據結構，確定各結點(diǎn)的上下、左或右編號，即任一傳動(dòng)點(diǎn)由3個(gè)數據組成，確定其在數據鏈中的位置，填位置寄存器數值。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(dòng)點(diǎn)速度指令發(fā)給變頻器后，訪(fǎng)問(wèn)位置寄存器，確定子寄存器結點(diǎn)號，若不為0，則對該點(diǎn)進(jìn)行相應處理，直到該鏈完全處理完，再查同級寄存器結點(diǎn)號，處理另一支鏈。故只須對位置寄存器初始化，即可構成任意分支速度鏈。例如，如圖6所示，把紙機的第一分部點(diǎn)作為速度鏈中的主節點(diǎn)，即它的速度就決定整個(gè)紙機的工作速度，調節其給定速度就調節了整個(gè)紙機的車(chē)速。在PLC內，檢測到車(chē)速調節信號則改變車(chē)速單元值，1點(diǎn)處的速度就是第一臺變頻器的運行速度設定值，將其送第一臺變頻器執行，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(mǎn)足運行要求，說(shuō)明第二分部變比不合適，可通過(guò)調節第二分部的變比b1來(lái)達到所需的運行要求，調節過(guò)程相當于在PLC內部有一個(gè)高精度的齒輪變速箱，可以任意無(wú)級調速。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將在對應的速度鏈上附加一正值或負值的偏移量來(lái)實(shí)現緊紙和松紙功能。圖中2點(diǎn)就包含了調速和緊紙、松紙等指令的速度值，將它送給第二臺變頻器執行，同時(shí)送下一級計算。依次類(lèi)推，構成速度鏈控制系統。

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(gè)層次：通用功能模塊，如PID控制、多段頻率、自動(dòng)節能運行等；行業(yè)專(zhuān)用功能模塊，如位置控制，紡織應用、恒壓供水應用等。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)現與、或、異或等運算的邏輯單元；3.兩個(gè)定時(shí)器，可實(shí)現多種延時(shí)功能；4.一個(gè)可預置值、可掉電存儲的計數器；5.四個(gè)可以實(shí)現加、減、乘、除和絕對值等運算的算術(shù)單元。

此外SB70G還內置功能完備的過(guò)程PID，在閉環(huán)張力控制中應用必不可少。具體可見(jiàn)下圖：

PID的輸入和反饋通道有很多種選擇，反饋信號還可以設置為模擬量的多種運算結果。PID可以預置，并且有兩套可以運行中切換的參數。

用戶(hù)可以隨心所欲地對SB70G的資源進(jìn)行編程，既可以利用它的可編程功能模塊來(lái)配合專(zhuān)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(lái)實(shí)現各種行業(yè)的專(zhuān)用功能。SB70G的可編程功能模塊就像一組七巧板，可以在用戶(hù)的手中組合成無(wú)數種理想的圖案。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，對降低系統成本，提高系統可靠性具有極大價(jià)值。

系統控制結構如下圖所示：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調節器的輸出對主給定頻率進(jìn)行修正，使反饋張力與給定張力無(wú)偏差。將張力傳感器的輸出信號作為PID反饋，PID給定通過(guò)數字設定成理想的張力值。主機的運行中信號作為從機的起停命令。

系統圖如下：

、張力間接計算檢測閉環(huán)方式

由代表生產(chǎn)紙線(xiàn)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(shí)時(shí)卷徑計算出相應的從機（卷取機）主給定頻率，以此作為前饋；同時(shí)用PID調節器控制紙張的張力PID輸出，對給定頻率進(jìn)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(zhuān)用的變頻器都使用了這種方法。而SB70G可以通過(guò)可編程模塊來(lái)編程實(shí)現這種控制，使用方便，方法靈活。系統控制框圖如下：

SB70G紙張卷繞機張力控制系統圖

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，由用戶(hù)設定，范圍為0～100％；

主機的模擬運行頻率（代表線(xiàn)速度）由AI1輸入。

計圈信號使用光電開(kāi)關(guān)由“計數器增”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值進(jìn)行預置初值。

下面分兩部分來(lái)說(shuō)明這種組合方法。

第一部分：卷取機給定頻率的計算。

用戶(hù)需要知道三個(gè)值，分別是初始卷徑、最終卷徑和紙張厚度。根據這三個(gè)值，計算出參數設置所需要的幾個(gè)數值，具體包括：

1．初始卷徑百分比值D₀＝初始卷徑/最終卷徑。

2．計數器設定值＝最終卷徑/(紙張厚度×2)。

3．計數器預置值＝初始卷徑/(紙張厚度×2)。

以下面的例子說(shuō)明：

假設紙張的最終卷徑為1000mm，初始卷徑為100mm，薄膜厚度為0.05mm，則：

D₀＝100/1000＝10％；

計數器設定值＝1000/(0.05×2)＝20000；

計數器預置值＝100/(0.05×2)＝2000。

此時(shí)計數器計數值（以設定計數值為100％）就相當于一個(gè)卷徑傳感器的輸出信號，即為實(shí)時(shí)的卷徑值D（以最終卷徑為100％）。計數器的掉電記憶實(shí)現了卷徑掉電記憶功能，計數器復位實(shí)現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(guò)算術(shù)單元3算出D₀/D的值；再通過(guò)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(shí)算數單元2的結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的給定值應該設定為用戶(hù)需要的張力值。算術(shù)單元1的結果即為用戶(hù)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給定通道的設定。

至此，就完成了張力控制方案設計。此外，還要把控制需要的一些外部接線(xiàn)和參數設置做好，包括將主機的運行中信號作為從機的起動(dòng)信號，使從機跟隨主機運行；根據實(shí)際情況調節PID的相關(guān)參數，達到最好的控制效果。

造紙機各分部傳動(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)設計和改造的發(fā)展方向，它的實(shí)用性、可靠性、經(jīng)濟性以及智能性為用戶(hù)提供了很高的性能價(jià)格比。改造后的設備自動(dòng)化程度比以前大幅提高，產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程更加穩定可靠，變頻器的低速運行省電特點(diǎn)將給用戶(hù)帶來(lái)可觀(guān)的經(jīng)濟效益。