湯　峰

(西門子中國(guó)有限公司上海分公司,上海,200082)

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·施膠機(jī)控制·

西門子S120在施膠機(jī)上的應(yīng)用和優(yōu)化

湯峰

(西門子中國(guó)有限公司上海分公司,上海,200082)

主要介紹了西門子S120驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)在造紙機(jī)施膠機(jī)傳動(dòng)控制上的實(shí)現(xiàn)和調(diào)試,以及通過優(yōu)化去來實(shí)現(xiàn)高自動(dòng)化高精度的生產(chǎn)過程控制。

SINAMICS S120;速度控制;轉(zhuǎn)矩控制;負(fù)荷分配;優(yōu)化;張力控制

隨著工業(yè)的發(fā)展,造紙?jiān)O(shè)備趨向于更大型化,速度更快,自動(dòng)化程度更高。對(duì)控制系統(tǒng)的控制精度和高自動(dòng)化程度提出了更高要求。常規(guī)施膠機(jī)一般在閉輥或閉合施膠梁時(shí)需要人為地對(duì)施膠機(jī)速度或者張力進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整,并且也要手動(dòng)對(duì)施膠后烘缸的速差或者張力進(jìn)行操作,既需要多人同時(shí)操作,控制精度又不高。本文主要介紹了西門子公司新一代S120驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng),通過優(yōu)化實(shí)現(xiàn)施膠閉輥、施膠梁打開和閉合的高精度、高動(dòng)態(tài)、高自動(dòng)化控制,從而減少操作人員的操作,減少斷紙,提高產(chǎn)量。特別是對(duì)帶有4個(gè)或者以上施膠功能的在線施膠的紙板機(jī),由于紙板機(jī)機(jī)身比較長(zhǎng),使減少斷紙且操作快捷方便就顯得更為重要。S120替代了老一代的MasterDrive，與MasterDrive相比，S120具有更高控制精度和更高穩(wěn)定性,更人性的調(diào)試和診斷畫面,更豐富的端口連接,以及更便于維護(hù)的硬件結(jié)構(gòu)。

1　項(xiàng)目簡(jiǎn)介

亞太森博漿紙有限公司為了擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模,投入大量資金建造了一條高檔包裝用紙生產(chǎn)線,施膠機(jī)是項(xiàng)目中的一個(gè)重要設(shè)備。紙幅寬度為4600 mm,施膠上輥直徑為800 mm,施膠下輥直徑為800 mm,導(dǎo)輥直徑為350 mm,設(shè)計(jì)車速1000 m/min,紙張定量170～400 g/m2,厚度200～490 μm,緊度0.815～0.850 g/cm3。施膠機(jī)外形如圖1所示。

圖1　施膠機(jī)外形

2　施膠機(jī)工藝簡(jiǎn)介

施膠機(jī)主要由上輥、下輥和導(dǎo)輥、用于上料的上施膠梁和下施膠梁、引紙繩和引紙轉(zhuǎn)換器組成。在紙幅正常傳送到施膠機(jī)之前,需要通過引紙繩和引紙轉(zhuǎn)換器把紙幅牽引到施膠機(jī)上。在引紙的過程中施膠輥是打開的,上下施膠梁跟上下施膠輥之間也是打開的。當(dāng)紙幅引到施膠機(jī)時(shí),紙幅會(huì)擴(kuò)到全幅的狀態(tài)。閉合施膠輥,然后閉合上下施膠梁,這樣施膠液就會(huì)隨著輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)動(dòng)全部涂在紙幅表面。

圖2　系統(tǒng)方框圖和響應(yīng)圖

3　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

施膠機(jī)包含施膠固定輥(下輥),施膠移動(dòng)輥(上輥),導(dǎo)輥,引紙繩,引紙轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)選用的是S120交流整成直流,然后直流轉(zhuǎn)化成交流的AC-DC-AC的硬件結(jié)構(gòu)。CU320通過DRIVE-CLIQ連接幾個(gè)逆變器。CU320通過DP的方式連接到S7- 400的控制器。直流母線到逆變器中間有預(yù)充電的開關(guān)相連。設(shè)計(jì)有安全開關(guān)便于現(xiàn)場(chǎng)維修,MP277 10inch 用于現(xiàn)場(chǎng)操作?？刂破鞑捎玫氖?塊416-2在同一個(gè)機(jī)架上并行,施膠機(jī)掛在第二塊CPU的一個(gè)網(wǎng)段上。上位機(jī)采用了一個(gè)工程師站和兩個(gè)操作員站,上位的控制軟件采用PCS7 V8.0 Update1。

圖5　階躍加入

4　速度環(huán)優(yōu)化分析和優(yōu)化過程

4.1速度環(huán)優(yōu)化分析

單回路矢量控制的傳動(dòng)系統(tǒng)包含速度環(huán)、轉(zhuǎn)矩環(huán)和機(jī)械系統(tǒng)(積分：Tim)。一般來講,速度的設(shè)定是不會(huì)擺動(dòng)的,給定要通過斜坡函數(shù)發(fā)生器。通過電機(jī)的發(fā)力去實(shí)現(xiàn)速度的跟蹤,速度環(huán)是轉(zhuǎn)矩環(huán)的外環(huán)。所以合適的負(fù)載響應(yīng)才能使電機(jī)和機(jī)械很好地同步。按照?qǐng)D2系統(tǒng)方框圖和響應(yīng)圖(Kr_n是控制器的比例分量,Tr_n是速度環(huán)的積分)來分析,一般速度環(huán)節(jié)躍響應(yīng)的超調(diào)量在43%左右。

電機(jī)和設(shè)備之間一般通過聯(lián)軸器(彈性)或者齒輪箱(齒間隙,彈性)連接起來的。所以電機(jī)和設(shè)備之間應(yīng)該存在扭轉(zhuǎn)的震動(dòng)頻率。功能圖如圖3所示,開環(huán)傳遞函數(shù)如圖4所示,一般在大的設(shè)備中扭轉(zhuǎn)的震動(dòng)頻率低于10 Hz。

圖3　功能圖

圖4開環(huán)傳遞函數(shù)

理論上,通過測(cè)量負(fù)載的速度或角度,靠實(shí)際反饋的速度信號(hào)能使速度環(huán)穩(wěn)定,但在實(shí)際系統(tǒng)中需要有一定的方法找到合適的控制器參數(shù)值。

4.2速度實(shí)際優(yōu)化過程

(1)把一個(gè)小的階躍加進(jìn)速度環(huán)給定,設(shè)一個(gè)比較小的比例(如Kp=3),找到震蕩頻率,通常設(shè)2～3倍震蕩周期的時(shí)間作為速度環(huán)反饋的濾波時(shí)間T2。階躍加入如圖5所示。

(2)讓速度環(huán)運(yùn)行在單純的比例控制下,不斷地增加比例值。當(dāng)速度環(huán)有稍微超調(diào)時(shí)的比例值是合適的值。比例增加曲線如圖6所示。

圖6　比例增加曲線

(3)設(shè)定積分時(shí)間。積分時(shí)間設(shè)定為PT1(速度反饋總濾波時(shí)間)濾波時(shí)間的4倍。如Tf=50 ms,Te=5 ms,積分時(shí)間設(shè)為220 ms。圖7中同時(shí)也顯示出有齒輪箱間隙的存在,齒輪箱間隙扭動(dòng)頻率要低于輥的固定扭動(dòng)頻率,這種齒輪箱間隙的距離才能從輥?zhàn)由享樌ㄟ^。

圖7　響應(yīng)圖

(4)設(shè)定速度給定的濾波和速度反饋的濾波為相同的值,防止在加速時(shí)出現(xiàn)加速同步的錯(cuò)誤。施膠機(jī)下輥和上輥速度環(huán)優(yōu)化后的階躍響應(yīng)時(shí)域圖如圖8所示。

圖8　實(shí)際階躍響應(yīng)

5　控制的實(shí)現(xiàn)和補(bǔ)償

圖9為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

從圖9中可以看出,M65(下輥)是主輥,M66(上輥)是從輥,當(dāng)M65和M66閉合在一起時(shí),M66進(jìn)入負(fù)荷分配模式。M65紙幅通過施膠機(jī)閉輥后自動(dòng)投入張力控制,引紙繩M147是速差控制模式,引紙轉(zhuǎn)換器M152也是速差控制模式。操作人員可以在操作屏上對(duì)速差進(jìn)行操作。

施膠機(jī)的從輥負(fù)荷分配：主傳動(dòng)速度調(diào)節(jié)器的輸出乘以負(fù)荷分配系數(shù),減去從傳動(dòng)速度調(diào)節(jié)器的輸出,然后乘以軟化補(bǔ)償量,加到從傳動(dòng)的速度給定。負(fù)荷分配(軟化補(bǔ)償)如圖10所示。

圖10　負(fù)荷分配(軟化補(bǔ)償)

當(dāng)紙幅從施膠機(jī)的壓區(qū)經(jīng)過時(shí),上下輥對(duì)紙幅表面產(chǎn)生的力是相同的,F1=F2,力的分配如圖11所示。

圖11　力分配示意圖

實(shí)際應(yīng)用中是通過電機(jī)的發(fā)力來實(shí)現(xiàn)F1=F2,所以要通過齒輪箱的速比、輥的直徑、電機(jī)的功率來折算電機(jī)的扭矩T1、T2?？紤]到上下兩個(gè)輥的摩擦力不相同,所以各自的摩擦力應(yīng)該直接補(bǔ)償,摩擦力自動(dòng)補(bǔ)償功能如圖12所示。上輥的摩擦力用Fx1表示,下輥的用Fx2表示。上輥直徑、速比分別用D1、i1表示，下輥直徑、速比分別用D2、i2表示。扭矩T1、T2的計(jì)算分別見式(1)、式(2)。

(1)

(2)

圖12　摩擦力自動(dòng)補(bǔ)償功能

圖13　實(shí)際補(bǔ)償圖

施膠機(jī)上料的上梁和下梁隨時(shí)可以打開和閉合(上料和停料),施膠輥在生產(chǎn)過程中也可能打開和閉合。輥?zhàn)娱]合或上下上料梁閉合,傳動(dòng)負(fù)載在瞬間變化很大,若單獨(dú)靠速度環(huán)來調(diào)整可能需要速度環(huán)的調(diào)整周期,這樣速度變化很大。為了避免負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致速度波動(dòng),在閉輥或閉合上下梁時(shí)需要對(duì)主傳動(dòng)和從傳動(dòng)進(jìn)行附加轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。實(shí)際補(bǔ)償圖如圖13所示。

通過實(shí)際曲線的負(fù)載變化值來進(jìn)行補(bǔ)償。由于在施膠后紙幅變濕,變濕后由于拉伸的原因紙幅伸長(zhǎng),所以對(duì)施膠機(jī)后的烘缸進(jìn)行速度的補(bǔ)償有些時(shí)候是必要的。

6　張力控制的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化

6.1張力控制的實(shí)現(xiàn)

通過張力控制器的輸出,疊加到速度給定上,這樣傳動(dòng)會(huì)根據(jù)紙張的實(shí)際張力來調(diào)整速度,以達(dá)到恒定張力控制的目的。張力控制圖如圖14所示。

圖14　張力控制圖

張力控制應(yīng)在閉輥時(shí)自動(dòng)投入,在施膠機(jī)打開時(shí)張力自動(dòng)切掉。當(dāng)斷紙時(shí)施膠應(yīng)自動(dòng)停止,同時(shí)施膠輥打開,張力自動(dòng)切掉,主輥M65從張力控制自動(dòng)切換到速度控制,從輥M66從負(fù)荷分配控制自動(dòng)切換到速度控制。

圖16　張力控制響應(yīng)

6.2張力控制的優(yōu)化

有紙時(shí)張力在不斷調(diào)節(jié),此時(shí)需要對(duì)張力調(diào)節(jié)器的PI進(jìn)行最優(yōu)化調(diào)整。在張力給定部分加入3%左右的擾動(dòng),張力調(diào)節(jié)器方框圖見圖15。同時(shí)在曲線中觀察實(shí)際張力值的跟隨情況,根據(jù)實(shí)際曲線不斷調(diào)整比例和積分值。直到實(shí)際值的曲線和擾動(dòng)加入的曲線能夠跟上,有一點(diǎn)點(diǎn)的超調(diào)量為最佳的PI參數(shù)。張力控制響應(yīng)圖見圖16 。

7　結(jié)　語

通過施膠機(jī)優(yōu)化,減少了操作人員的操作,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了生產(chǎn)率。項(xiàng)目連續(xù)運(yùn)行24 h,張力的穩(wěn)態(tài)精度小于0.5%,在帶紙加速或改產(chǎn)過程中，

張力的動(dòng)態(tài)精度小于4%。張力不投入的情況下24 h的速度穩(wěn)態(tài)精度小于0.01%,帶紙加速或改產(chǎn)過程中動(dòng)態(tài)精度小于0.05%，提供了很高的控制精度。整個(gè)項(xiàng)目從2014年6月投入使用以來一直處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài),受到客戶的好評(píng)。

[1]ZHANG Yang, DING Xue-feng, GUO Hui, et al. Modificatioon of Surface Sizing Technology of Linerboard[J]. China Pulp & Paper, 2015, 34(5): 70.

張揚(yáng), 丁雪峰, 郭徽, 等. 箱紙板表面施膠技術(shù)的改造[J]. 中國(guó)造紙, 2015, 34(5)： 70.

(責(zé)任編輯：馬忻)

Application and Optimizing of SIEMENS S120 Control System in Paper Sizing Machine

TANG Feng

(SIEMENSLimitedChinaShanghaiBranch,Shanghai, 200082)

This paper introduced the appication and comissioning of Siemens S120 control system in paper sizing machine and realizing the high automation and high accuracy of the operation through the optimization.

SINAMICS S120; speed control; torque control; load distribution; optimizing; tension control

湯峰先生,系統(tǒng)主任工程師；主要從事造紙行業(yè)自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和調(diào)試的研究工作。

2015-11-10(修改稿)

TS77

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.05.013

(E-mail: feng.tang@simens.com)