馬文明

(西京學(xué)院,陜西西安,710123)

·傳動(dòng)控制·

基于A-B平臺(tái)的造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

馬文明

(西京學(xué)院,陜西西安,710123)

針對(duì)造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)速度鏈控制、負(fù)荷分配和張力控制的技術(shù)難點(diǎn),設(shè)計(jì)基于A-B平臺(tái)的造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng),對(duì)控制系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),重點(diǎn)研究速度鏈控制、負(fù)荷分配和張力控制的控制原理,設(shè)計(jì)造紙機(jī)傳動(dòng)控制解決方案。

傳動(dòng)控制系統(tǒng)；速度鏈控制；負(fù)荷分配

造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)是造紙裝備控制和驅(qū)動(dòng)的中樞,其作用是實(shí)現(xiàn)造紙過程的自動(dòng)化、智能化。該系統(tǒng)的研究是跨學(xué)科多領(lǐng)域技術(shù)的相互結(jié)合,主要涵蓋了軟件設(shè)計(jì)理論、控制理論、電力電子技術(shù)、通信技術(shù)等。經(jīng)過實(shí)際調(diào)查,當(dāng)前國內(nèi)造紙行業(yè)有些造紙機(jī)的傳動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度欠佳、生產(chǎn)能耗較高、生產(chǎn)效率較低。主要體現(xiàn)在以下4點(diǎn)：①紙機(jī)傳動(dòng)在運(yùn)行過程中負(fù)載波動(dòng)比較大,導(dǎo)致速度波動(dòng)也較大,容易斷紙；②負(fù)荷分配效果欠佳,常有從動(dòng)點(diǎn)處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài),燒毀變頻器；③紙機(jī)聯(lián)鎖控制功能不完善,經(jīng)常會(huì)因?yàn)橛蛪旱葏?shù)不正常導(dǎo)致紙機(jī)無法正常生產(chǎn),甚至損壞紙機(jī)；④張力控制功能效果欠佳,當(dāng)相鄰傳動(dòng)點(diǎn)速度出現(xiàn)微小偏差時(shí),紙幅的張力會(huì)發(fā)生較大的變化,容易斷紙[1]。鑒于以上描述的問題,本課題對(duì)造紙機(jī)系統(tǒng)的速度鏈控制、負(fù)荷分配控制及張力控制進(jìn)行了深入研究,以尋求合理的解決方案,設(shè)計(jì)出基于A-B平臺(tái)的造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)工藝介紹

造紙生產(chǎn)是一個(gè)多參數(shù)、多變量及非線性的工藝系統(tǒng)[1]。紙張生產(chǎn)流程如下：將造紙?jiān)侠脵C(jī)械制漿、化學(xué)制漿等方法轉(zhuǎn)變成紙漿,根據(jù)紙張所需的強(qiáng)度、色調(diào)、印刷性能進(jìn)行紙漿調(diào)制,將符合抄紙要求的紙漿從流漿箱流出,經(jīng)過上網(wǎng)成形、壓榨脫水、干燥烘干、施膠和卷取等工藝形成原紙,最終經(jīng)過復(fù)卷、分切及打包處理轉(zhuǎn)換為滿足要求的紙卷[1]。造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)作為抄紙系統(tǒng)的控制驅(qū)動(dòng)中樞,基本采用分部變頻傳動(dòng)方式,各分部在PLC控制下通過變頻器驅(qū)動(dòng)各分部電機(jī),電機(jī)旋轉(zhuǎn)后依靠減速箱減速,通過聯(lián)軸器帶動(dòng)各傳動(dòng)輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)。造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖1所示,上位機(jī)與PLC、人機(jī)界面與PLC、變頻器與PLC通過現(xiàn)場總線通信方式進(jìn)行信息傳遞交換。

圖1 造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖

2 造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)控制要求

通過造紙機(jī)生產(chǎn)工藝的分析,對(duì)系統(tǒng)的要求如下：①工作速度可調(diào)節(jié) 為了使造紙機(jī)適應(yīng)不同紙種和紙張定量調(diào)節(jié)的需要,系統(tǒng)應(yīng)保證在較大范圍內(nèi)均勻調(diào)速；②抄紙速度穩(wěn)定 為了保持紙張定量穩(wěn)定,減少紙幅的斷頭,避免紙張發(fā)生褶皺,要求抄紙速度必須穩(wěn)定；③各分部速比穩(wěn)定并可調(diào)整 為了生產(chǎn)質(zhì)地均勻的紙張,要求各分部之間速比穩(wěn)定,同時(shí)為避免分部傳動(dòng)點(diǎn)速度改變,要求速比可調(diào),且不能超過其限定值；④設(shè)置爬行速度 為了檢查和清洗成形網(wǎng)、毛毯和干毯,同時(shí)便于檢查各分部的運(yùn)行情況,要求各分部必須有15～40 m/min的爬行速度；⑤負(fù)荷分配 隨著紙機(jī)向著大幅寬、高速及大功率的方向發(fā)展,將紙機(jī)分部改成多電機(jī)傳動(dòng),針對(duì)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載的情況,必須要求進(jìn)行負(fù)荷分配；⑥主車速給定 為了配合紙漿流速,使得生產(chǎn)的紙張質(zhì)地均勻,減少斷頭,要求主車速平穩(wěn)改變[1-2]。

3 造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本課題以河北秦皇島某造紙廠二期項(xiàng)目為例,進(jìn)行造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該紙機(jī)項(xiàng)目幅寬為4600 mm,設(shè)計(jì)車速為450 m/min,總設(shè)計(jì)容量為1567 kW,主要傳動(dòng)點(diǎn)總計(jì)16個(gè),傳動(dòng)點(diǎn)名稱及電機(jī)容量如表1所示。其中有5組負(fù)荷分配,分別為：驅(qū)網(wǎng)輥、真空伏輥及傳動(dòng)導(dǎo)網(wǎng)輥；第一壓榨上輥、第一壓榨下輥；第二壓榨上輥與第二壓榨下輥；施膠上輥與施膠下輥；熱壓缸與熱壓輥。

表1 造紙機(jī)傳動(dòng)點(diǎn)信息表

3.1 總體控制方案設(shè)計(jì)

從工程實(shí)際要求出發(fā),本系統(tǒng)為交流變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng),傳動(dòng)方案采用標(biāo)準(zhǔn)三級(jí)控制模式。根據(jù)紙廠用戶的要求,選用A-B 1769-L35E作為控制單元,并且系統(tǒng)配有2個(gè)Compact Logic 1769-SDN DeviceNet掃描器,用于DeviceNet網(wǎng)絡(luò)上的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信、I/O控制。傳動(dòng)單元采用A-B PowerFlex753變頻器,配有20-COMM-D網(wǎng)絡(luò)適配器與PLC進(jìn)行通信。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 變頻器硬件接線圖

3.2 變頻器硬件設(shè)計(jì)

在造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)中,采用現(xiàn)場總線及三級(jí)控制方案,變頻器傳動(dòng)硬件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化,可以適應(yīng)不同工程項(xiàng)目。以二組烘缸為例,變頻器硬件接線如圖3所示。

在圖3中,傳動(dòng)單元通過變頻器控制面板進(jìn)行所有參數(shù)設(shè)置。圖中KA101為中間繼電器的常閉觸點(diǎn),當(dāng)其閉合時(shí),變頻器進(jìn)入運(yùn)行使能狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí),按下急停按鈕,中間繼電器得電,常閉觸點(diǎn)KA101變?yōu)槌ｉ_,變頻器運(yùn)行使能位為0,傳動(dòng)單元將因使能關(guān)閉而停車。當(dāng)系統(tǒng)故障處理后,彈出急停按鈕,中間繼電器失電,常閉觸點(diǎn)重新閉合,變頻器運(yùn)行使能位重新得電,傳動(dòng)單元重新啟動(dòng),實(shí)現(xiàn)了硬件保護(hù)作用[3]。

4 造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)速度鏈和負(fù)荷分配控制,部分傳動(dòng)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)張力控制。通過對(duì)該系統(tǒng)的速度鏈控制、負(fù)荷分配及張力控制進(jìn)行詳細(xì)分析和研究,提出合理的系統(tǒng)工藝控制算法,如圖4所示。

4.1 速度鏈的分析及控制策略

在速度鏈控制中,主要包含速度同步控制和速比控制。本課題采用并行同步控制策略進(jìn)行系統(tǒng)速度的同步控制。將每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)都看作單獨(dú)的速度對(duì)象,控制傳動(dòng)點(diǎn)在合適的車速值工作。每個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行在閉環(huán)情況下,并且系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差及動(dòng)態(tài)誤差符合工藝要求時(shí),各傳動(dòng)點(diǎn)的速度僅受上一級(jí)速度的控制,實(shí)現(xiàn)速比控制算法[4]。速比控制是將所有與速度有關(guān)的工藝操作最終歸結(jié)為對(duì)傳動(dòng)點(diǎn)的速比進(jìn)行調(diào)節(jié)。任意傳動(dòng)點(diǎn)運(yùn)行速度均等于速度鏈上一分部的速度值乘以本分部的速比ki。通過操作該傳動(dòng)點(diǎn)加速、減速微調(diào)按鈕,調(diào)節(jié)速比的大小,使分部車速滿足當(dāng)前的生產(chǎn)要求。如果生產(chǎn)過程中速比合適,需要消除速度的累積誤差時(shí),通過張緊、松弛按鈕,在傳動(dòng)點(diǎn)的速度上附加一個(gè)正或負(fù)的偏移量[4]，如圖5所示。

圖4 傳動(dòng)系統(tǒng)工藝控制算法結(jié)構(gòu)圖

圖5 速比控制結(jié)構(gòu)圖

由于采用并行同步控制,各傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立調(diào)速,傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)無法快速地感知彼此之間的相互變化，一旦某傳動(dòng)點(diǎn)負(fù)載發(fā)生波動(dòng),就會(huì)造成其他傳動(dòng)點(diǎn)速度稍微不同步。該問題在速比控制下難以調(diào)節(jié)時(shí),需要引入速差限幅控制，即在速比調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上,將波動(dòng)后的相鄰傳動(dòng)點(diǎn)速差與各傳動(dòng)點(diǎn)速差預(yù)設(shè)值作比較,若大于速差預(yù)設(shè)值,將該速差疊加至傳動(dòng)點(diǎn)下一級(jí)速度給定上,若小于速差預(yù)設(shè)值,則不做調(diào)整[4]。

4.2 負(fù)荷分配的分析及控制策略

在造紙生產(chǎn)中,各分部傳動(dòng)常常會(huì)遇到多臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)同一負(fù)載的情況,例如由壓榨上輥與壓榨下輥組成的真空壓榨部,運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)通過加壓使上下毛毯直接接觸,紙幅在毛毯中間通過。此類傳動(dòng)點(diǎn)在實(shí)際工作時(shí),不僅要求速度同步,同時(shí)還要求對(duì)電機(jī)的負(fù)荷進(jìn)行分配。如果沒有進(jìn)行負(fù)荷分配或者負(fù)荷分配不合理,則會(huì)出現(xiàn)某臺(tái)電機(jī)出力大,某臺(tái)電機(jī)出力小的情況,就可能造成嚴(yán)重的后果,或引起斷紙、撕壞毛毯,或長期過載的電機(jī)會(huì)發(fā)生故障,甚至燒毀[5]。表征每個(gè)電機(jī)負(fù)荷狀態(tài)的量稱為負(fù)載率,故負(fù)載率δ的定義為：

(1)

式中,Pi為第i臺(tái)電機(jī)的負(fù)載功率,Pie為電機(jī)的額定功率。負(fù)荷分配就是驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載的各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的電機(jī)負(fù)載率相等。在實(shí)際應(yīng)用中,往往需要根據(jù)所使用的變頻器,選擇合適的負(fù)荷分配參數(shù)。這些參數(shù)通常包括電流百分?jǐn)?shù)和轉(zhuǎn)矩百分?jǐn)?shù)。以采用轉(zhuǎn)矩代表實(shí)際負(fù)荷的變頻器為例,其負(fù)荷分配的計(jì)算如式(2)所示。

(2)

式中,Pi為第i臺(tái)電機(jī)的負(fù)載功率,Pie為電機(jī)的額定功率,MiL為第i臺(tái)電機(jī)的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩,M為期望轉(zhuǎn)矩。本課題采用基于轉(zhuǎn)矩限幅速度控制的負(fù)荷分配方案解決負(fù)荷分配。異步電動(dòng)機(jī)基頻以下采用變壓變頻調(diào)速時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩近似正比于轉(zhuǎn)差率,因此在電機(jī)速度不變的情況下,可以通過調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率,改變電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。這種改變電機(jī)機(jī)械特性的方法可以用來實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配功能[5]。當(dāng)分部傳動(dòng)處于單動(dòng)模式時(shí),負(fù)荷分配組中的主傳動(dòng)點(diǎn)和從動(dòng)點(diǎn)都工作在速度控制模式,主從傳動(dòng)點(diǎn)受速度鏈控制獨(dú)立運(yùn)行。當(dāng)傳動(dòng)分部處于聯(lián)動(dòng)模式時(shí),主傳動(dòng)點(diǎn)變頻器繼續(xù)工作在速度控制模式,作為負(fù)荷分配組的主傳動(dòng)點(diǎn),用來維持速度的穩(wěn)定。從動(dòng)點(diǎn)也繼續(xù)工作在速度控制模式,但要求從動(dòng)點(diǎn)的速度控制器必須處于飽和狀態(tài),一般情況下,系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線通信對(duì)負(fù)荷分配組內(nèi)的從動(dòng)點(diǎn)速度給定值給定要比主傳動(dòng)點(diǎn)的速度給定值大1.05～1.1倍,這樣在聯(lián)動(dòng)情況下,主傳動(dòng)點(diǎn)和從動(dòng)點(diǎn)的實(shí)際速度相同,而且等于主傳動(dòng)點(diǎn)的給定速度。從動(dòng)點(diǎn)的實(shí)際速度小于其給定速度值,那么從動(dòng)點(diǎn)要增大轉(zhuǎn)矩電流值,系統(tǒng)就對(duì)從動(dòng)點(diǎn)的正轉(zhuǎn)矩限幅值進(jìn)行控制,將負(fù)荷分配組內(nèi)主傳動(dòng)點(diǎn)變頻器的轉(zhuǎn)矩實(shí)際值作為從動(dòng)點(diǎn)變頻器的正轉(zhuǎn)矩限幅值,從動(dòng)點(diǎn)變頻器的轉(zhuǎn)矩輸出雖然因?yàn)楸旧硭俣瓤刂破黠柡投_(dá)到額定值,但由于轉(zhuǎn)矩限幅只能輸出與主傳動(dòng)點(diǎn)同樣大小的數(shù)值[4-5]。這樣實(shí)際效果就是從動(dòng)點(diǎn)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩值和主傳動(dòng)點(diǎn)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩值是相等的,從動(dòng)點(diǎn)的實(shí)際轉(zhuǎn)速值不受自身控制,完全由主傳動(dòng)點(diǎn)決定。同時(shí)當(dāng)主傳動(dòng)點(diǎn)因?yàn)樨?fù)荷分配不均導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降時(shí),主傳動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)速控制器調(diào)節(jié)輸出。因?yàn)樗俣日{(diào)節(jié)器的輸出,同時(shí)也是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸入,故主傳動(dòng)點(diǎn)變頻器轉(zhuǎn)矩輸出變大,從動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)矩輸出因?yàn)橹鱾鲃?dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)矩限幅值增大而增大,直至負(fù)荷分配完成，負(fù)荷分配原理如圖6所示。

4.3 張力控制的分析及控制策略

在經(jīng)過施膠、壓光等工藝過程后,紙張含水量接近成品紙的水分含量,其伸縮性和延展性極速下降。

圖6 負(fù)荷分配原理示意圖

圖7 張力控制示意圖

當(dāng)相鄰傳動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)微小偏差時(shí),紙張張力會(huì)發(fā)生變化,要求對(duì)某些傳動(dòng)點(diǎn)采用張力控制,維持紙張均衡的張力,使抄紙效率和紙張質(zhì)量得到提升[1- 4]。實(shí)際應(yīng)用中,將張力傳感器安裝在導(dǎo)輥上檢測紙張實(shí)際張力,其測量值被采集到PLC中,并與張力設(shè)定值進(jìn)行比較,通過差值的PID控制對(duì)下一級(jí)傳動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。即實(shí)際張力較大時(shí),減小傳動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)速；實(shí)際張力較小時(shí),增大傳動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)速。通過張力控制維持紙張均衡的張力,實(shí)現(xiàn)紙張平穩(wěn)纏繞。通過對(duì)傳動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)速的控制來實(shí)現(xiàn)張力調(diào)節(jié),達(dá)到了紙張張力均衡控制的目的，如圖7所示。

5 結(jié) 語

本課題通過對(duì)造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題的分析,提出了造紙機(jī)傳動(dòng)工藝的解決方案。在造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)控制工藝要求的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了基于A-B平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì),并科學(xué)合理地分析了速度鏈控制、負(fù)荷分配控制和張力控制的原理及符合實(shí)際工程要求的控制策略。提高了傳動(dòng)控制的自動(dòng)化程度,使造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中達(dá)到了速度穩(wěn)定、負(fù)載分配合理、張力控制穩(wěn)定的效果。此控制系統(tǒng)符合現(xiàn)代造紙自動(dòng)化的工藝設(shè)計(jì)要求,在實(shí)際工程運(yùn)行中,客戶反映良好,值得推廣。

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(責(zé)任編輯：馬 忻)

推進(jìn)林業(yè)生態(tài)建設(shè) 加快發(fā)展林紙循環(huán)經(jīng)濟(jì)

Design and Application of Paper Machine Drive Control System Based on A-B Platform

MA Wen-ming

(XijingUniversity,Xi’an,ShaanxiProvince, 710123)

(E-mail: 987746606@qq.com)

Aiming at the technical difficulty of accurately implement speed chain control, tension control and load distribution in paper machine drive control system, the paper machine drive control system based on A-B platform was designed including the hardware and software of the system, particularly focused on the research of the principles of speed chain control, tension control and load distribution control a reasonable paper machine drive control solutions was provided.

drive control system; speed chain control; load distribution

馬文明先生，碩士，助教；研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，電機(jī)控制與變頻調(diào)速。

2016-12- 05(修改稿)

西京學(xué)院科研基金項(xiàng)目(XJ150213)。

TP273

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.04.011