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(fù)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?,F(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(fù)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(zé)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(yù)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(yù)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(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(fù)位信號對計數(shù)值進行預(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(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%;
計數(shù)器設(shè)定值=1000/(0.05×2)=20000;
計數(shù)器預(yù)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(fù)位實現(xiàn)了卷徑復(fù)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。