一、概述
造紙行業(yè)以其傳動(dòng)點(diǎn)多、同步性要求高、連續(xù)化生產(chǎn)的特點(diǎn)，與冶金行業(yè)一起被稱為自動(dòng)化控制要求zui高的行業(yè)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流傳動(dòng)系統(tǒng)在造紙行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，高性能、矢量控制型變頻器的出現(xiàn)，使得過去需要由直流雙閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的傳動(dòng)控制，*可以由交流傳動(dòng)系統(tǒng)來完成。為了滿足不同類型的紙張生產(chǎn)和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的需要，要求造紙生產(chǎn)線向高速化、全自動(dòng)化方向發(fā)展，工業(yè)控制器（PLC）和現(xiàn)場總線越來越多地應(yīng)用在造紙行業(yè)。這次，在淄博第二板紙廠，采用艾默生TD3000系列矢量控制型變頻器、艾默生現(xiàn)場總線適配器和S7-300 PLC組成的控制系統(tǒng)，地實(shí)現(xiàn)了整條生產(chǎn)線的控制，為將來艾默生變頻器在高速紙機(jī)上的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。
二、板紙生產(chǎn)線工藝簡介
該板紙機(jī)的型號為HT3000/110，是多圓網(wǎng)多烘缸板紙機(jī)，適用于生產(chǎn)用木漿、廢紙漿及其它漿料抄造定量為130-250g/m?的瓦楞原紙、掛面牛皮紙及箱板紙等品種。該型板紙生產(chǎn)線主要由壓榨部、烘干部、傳動(dòng)部三部分組成。與之配套的設(shè)備有三輥半濕壓光機(jī)（即后面的光澤缸）、四輥壓光機(jī)及水平式圓筒卷紙機(jī)。
壓榨部的選型為一道雙毛布主壓榨、兩道正壓榨。壓榨部機(jī)架為型鋼焊接件，每條毛布圈路內(nèi)配置雙縫吸水箱、張緊器、校正器、高中壓噴水管及輥?zhàn)蛹訅汉蜌鈩?dòng)加壓等裝置。紙漿通過輥?zhàn)蛹訅汉蜌鈩?dòng)加壓粘附在毛布上，紙漿通過毛布之間的擠壓和雙縫吸水箱（抽真空）對紙漿脫水后初步定形為板紙。毛布zui大工作張力為4.5N/mm。
各道壓區(qū)線壓：（N/mm）
雙毯主壓 設(shè)計(jì)線壓：60  工作線壓：40
一道單毯壓榨 設(shè)計(jì)線壓：80  工作線壓：60
二道單毯壓榨 設(shè)計(jì)線壓：100 工作線壓：80
烘干部為保證烘干能力，烘缸（熱源是蒸汽）直徑為Ф1500*3350mm，配有24只，其中zui后一只為冷缸，烘缸分組按6+6+6+半干壓（光澤缸）+6排列。每組缸有4只缸為主動(dòng)，其余為被動(dòng)，之間通過干網(wǎng)連接。每條干網(wǎng)均配有氣動(dòng)校正器、電動(dòng)張緊器、導(dǎo)輥等。烘干部傳動(dòng)側(cè)機(jī)架采用三角機(jī)架封閉式齒輪傳動(dòng)，操作側(cè)為型鋼焊接箱型結(jié)構(gòu)，烘缸全部使用滾動(dòng)軸承，稀油潤滑。通過壓榨部基本定形的板紙?jiān)诤娓刹勘桓删W(wǎng)壓附在烘缸表面，經(jīng)過前三組缸烘干，板紙的干度在80%~85%之間，之后通過光澤缸對板紙進(jìn)行初級壓光，然后板紙經(jīng)過第四組缸烘干，干度在90%~94%之間，此后板紙通過四輥壓光機(jī)兩次壓光成為成品板紙，zui后經(jīng)過水平式圓筒卷紙機(jī)將板紙成卷。
傳動(dòng)部采用交流變頻分部傳動(dòng)形式，分別由真空回頭輥（37KW）、一壓（75KW）、二壓（37KW）、三壓（37KW）、一組缸（22KW）、二組缸（22KW）、三組缸（22KW）、光澤缸（30KW）、四組缸（22KW）、壓光（37KW）及卷紙（15KW）等11個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)組成，共計(jì)363KW，每一臺交流變頻電機(jī)通過硬齒面齒輪減速箱直接傳動(dòng)各主動(dòng)輥或主動(dòng)齒輪。每一傳動(dòng)點(diǎn)配有相應(yīng)的聯(lián)軸器、中間軸（包括萬向節(jié)）和基礎(chǔ)板。各部分設(shè)置啟動(dòng)、停止、升速、降速按鈕，達(dá)到單調(diào)、統(tǒng)調(diào)、運(yùn)行/爬行等功能，設(shè)置運(yùn)行、故障指示燈，電流、速度指示儀表等。
板紙機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：
生產(chǎn)品種：瓦楞原紙、掛面牛皮紙、箱板紙等
抄造定量：130-250g/m? 凈紙寬度：3000mm
網(wǎng)寬： 3350mm 生產(chǎn)能力：55-60T/d
工作車速：75-140m/min 設(shè)計(jì)車速：150m/min
主機(jī)軌距：3900mm 傳動(dòng)方式：變頻調(diào)速，分部傳動(dòng)
裝機(jī)容量：363KW 外型尺寸：（長*寬*高）67*10.5*6m


三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1、控制要求
1）、11個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)采用矢量控制型變頻器組成閉環(huán)系統(tǒng)；
2）、Profibus現(xiàn)場總線控制
控制的重點(diǎn)是保證各傳動(dòng)點(diǎn)的線速度保持一致，尤其要保證線前兩級一壓和真空回頭輥的嚴(yán)格同步，并保證兩個(gè)電機(jī)的負(fù)荷均衡。因其工藝上的特點(diǎn)，要求轉(zhuǎn)矩控制快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，能以很高的控制精度進(jìn)行寬范圍的閉環(huán)調(diào)速運(yùn)行。并且當(dāng)某一傳動(dòng)點(diǎn)因故障停機(jī)時(shí),在不影響生產(chǎn)的情況下能正常啟動(dòng)。
2、系統(tǒng)控制方案及設(shè)備選型
該控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是在系統(tǒng)負(fù)荷變化時(shí)，如何能保證各傳動(dòng)點(diǎn)的線速度一致。
考慮到為將來的高速紙機(jī)做技術(shù)上的鋪墊，我們選用了艾默生TD3000系列變頻器和西門子S7-315-2DP可編程控制器，通過Profibus現(xiàn)場總線組成整個(gè)的控制系統(tǒng)。可編程控制器（PLC）通過Profibus總線實(shí)時(shí)采集負(fù)荷數(shù)據(jù)，完成對各傳動(dòng)點(diǎn)速度控制和轉(zhuǎn)矩控制的在線疊加，以實(shí)現(xiàn)各傳動(dòng)點(diǎn)的自動(dòng)負(fù)荷均衡，每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)設(shè)有微調(diào)按鈕，必要時(shí)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整（通過程序限制手動(dòng)微調(diào)的調(diào)節(jié)范圍），同時(shí)通過通訊方式讀取變頻器的輸入端子狀態(tài)，即將變頻器的控制端子作為PLC的DI端子，從而減少了PLC的數(shù)字量輸入模塊數(shù)量。TD3000系列變頻器的調(diào)速范圍是1：1000，完滿足控制精度的要求，并且其在10~300rpm時(shí)低于10％的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及電機(jī)預(yù)勵(lì)磁功能，使啟動(dòng)運(yùn)行平滑、無沖擊和抖動(dòng)，從而能更好的承受一定的負(fù)荷變化。適配器選擇艾默生專為其變頻器應(yīng)用PROFIBUS現(xiàn)場總線而生產(chǎn)的TDS-PA01，它屬于Profibus智能從站，能響應(yīng)主機(jī)的查詢，并執(zhí)行主機(jī)下發(fā)的控制命令。
3、系統(tǒng)組成
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。


圖1

 

系統(tǒng)的硬件接線圖見圖2。（以真空回頭輥?zhàn)冾l器的接線為例）


變頻器的功能參數(shù)設(shè)置見表1。。
11臺變頻器的參數(shù)基本相同，但略有差別，變頻器的功能參數(shù)設(shè)置見下表：
參數(shù)號 設(shè)定值
F0.02 1（閉環(huán)矢量）
F0.03 6（通訊給定）
F0.05 2（通訊控制）
F0.10 90（加速時(shí)間）
F0.11 90（減速時(shí)間）
F1組電機(jī)參數(shù) 根據(jù)電機(jī)分別設(shè)定
F2.00 光澤缸和4組缸：2（跟蹤起動(dòng)）
其它傳動(dòng)點(diǎn)：0（從起動(dòng)頻率起動(dòng)）
F2.09 1（自由停車）
F3.00－F3.03 ASR速度調(diào)節(jié)器PI參數(shù)，在出廠參數(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況略加調(diào)整
F3.07 120%
F3.08 0（都未加制動(dòng)單元）
F5.01－F5.08 0輸出
（可編程通過總線讀取每臺變頻器的端子狀態(tài)，每個(gè)端子的具體功能在可編程中定義）
F5.11 1（PA－PC輸出變頻器運(yùn)行中信號）
F6.08 0（AO1定義為頻率輸出）
F6.09 3：適用于回頭輥、一壓、二壓、三壓、一組缸（AO2定義為電流輸出）
4：適用于二組缸、三組缸、 光澤缸、四組缸、壓光機(jī)、卷紙機(jī)
（AO2定義為轉(zhuǎn)矩％輸出）
F6.10－F6.13 根據(jù)不同變頻器F6.09的選擇適當(dāng)調(diào)整，
使顯示儀表的指示與對應(yīng)參量的實(shí)際值相等。
F9.00 3
F9.01 0
F9.02 3～13（順序分配）
F9.03 4（PPO4）
F9.05 PZD3連接值＝10（電機(jī)轉(zhuǎn)矩％）
F9.08 PZD6連接值＝12（開關(guān)量輸入狀態(tài)）
FA.02 8（復(fù)位有效）
FB.00 600（脈沖編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)）
FB.01 0（PG方向）

三、系統(tǒng)安裝與布線
因系統(tǒng)采用了PROFIBUS總線的控制方式，總線的通訊速率達(dá)45kbit/s，為避免因設(shè)備的安裝和布線造成對整個(gè)系統(tǒng)的影響，所以嚴(yán)格參照SIEMENS的接線標(biāo)準(zhǔn)接線，并且處理好系統(tǒng)的接地，以提高系統(tǒng)的抗*力。
四、系統(tǒng)調(diào)試
調(diào)試的關(guān)鍵集中在真空回頭輥和一壓的啟動(dòng)，因?yàn)槎咧g是通過毛布軟聯(lián)接，所以當(dāng)二者之間的負(fù)荷略有差別時(shí)，由于毛布的張力，就會造成嚴(yán)重的負(fù)荷不均衡，從而造成不能正常啟動(dòng)，即使能夠在某一頻率下啟動(dòng)，當(dāng)改變運(yùn)行速度或負(fù)載變化時(shí)，就會出現(xiàn)故障，因?yàn)橐唤M變頻器參數(shù)不可能滿足此種軟聯(lián)接負(fù)荷變化。要解決此問題，就需要在真空回頭輥和一壓運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)的調(diào)整二者的運(yùn)行頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的負(fù)荷均衡控制，其它各傳動(dòng)點(diǎn)以速度鏈的方式達(dá)到同步，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷均衡。
PLC負(fù)荷均衡算法實(shí)現(xiàn)分兩部分：
⑴在PLC內(nèi)做一個(gè)給定積分器，使其加速時(shí)間大于變頻器內(nèi)部的加速時(shí)間，這樣可以隨意控制真空回頭輥和一壓的升速時(shí)間和升速步距，以保證在啟動(dòng)過程和恒速時(shí)進(jìn)行微調(diào)疊加的可能性。程序流程圖見圖3。

⑵速度控制和轉(zhuǎn)矩控制的疊加，即在保證主給定基本不變的基礎(chǔ)上，通過檢測負(fù)載的轉(zhuǎn)矩的變化，對主給定做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。程序流程圖見圖4。


通過PLC算法解決了各傳動(dòng)點(diǎn)的啟動(dòng)和運(yùn)行問題，但系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)某一傳動(dòng)點(diǎn)無故停機(jī)的現(xiàn)象。
分析原因：
⑴停機(jī)信號是由PLC的數(shù)據(jù)區(qū)紊亂，造成送出的數(shù)據(jù)恰好是停機(jī)指令；
⑵PLC的確接收到停機(jī)信號；
⑶總線因受到干擾自己產(chǎn)生的紊亂信號。
經(jīng)過對PLC的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)設(shè)備無故停機(jī)時(shí)，PLC的確是送出了停機(jī)指令，這說明PLC是接收到了停機(jī)信號，因?yàn)槊總€(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的控制信號是PLC通過Profibus總線從變頻器中讀取的，所以錯(cuò)誤信號來源于變頻器的干擾。
抗干擾措施：
⑴硬件抗干擾
將原來停機(jī)按鈕的常開點(diǎn)改為常閉點(diǎn)，使停車有效信號與干擾信號反向。
⑵軟件抗干擾
PLC從變頻器中連續(xù)多次讀取停機(jī)信號后方認(rèn)為是真正的停機(jī)信號。程序流程圖見圖5。


注：通過調(diào)整狀態(tài)有效的比較次數(shù)即可調(diào)節(jié)軟件抗干擾的能力。
通過以上抗干擾措施的實(shí)施，設(shè)備無故停機(jī)的現(xiàn)象*消除。
五、系統(tǒng)完善
1、真空回頭輥和一壓在負(fù)載變化較大時(shí)，負(fù)載電流的波動(dòng)較大，動(dòng)態(tài)微調(diào)的算法仍可改進(jìn)。
2、當(dāng)紙卷的卷徑變大時(shí)，張力增大，會造成壓光機(jī)和四組缸被拖至發(fā)電狀態(tài)，出現(xiàn)過壓的現(xiàn)象，所以PLC應(yīng)實(shí)現(xiàn)全線控制的自動(dòng)微調(diào)，今后，可在系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)實(shí)現(xiàn)。
3、現(xiàn)場控制信號是PLC通過PROFIBUS讀取變頻器的端子狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的，這樣減少了PLC的I/O模塊的數(shù)量，但同時(shí)也增加了整個(gè)系統(tǒng)對Profibus總線的依賴性及對抗干擾的要求。
六、結(jié)束語
該控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于淄博第二板紙廠，設(shè)備運(yùn)行正常，尤其是基本實(shí)現(xiàn)了全線自動(dòng)負(fù)荷均衡大大降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。這是TD3000系列變頻器應(yīng)用于整條板紙生產(chǎn)線，并獲得成功，是艾默生變頻器在造紙行業(yè)提供成套解決方案的典型案例，也為其今后應(yīng)用于高速紙機(jī)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。