一、概述

造紙行業(yè)以其傳動點(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)一起被稱為自動化控制要求比較高的行業(yè)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流傳動系統(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)的傳動控制，完全可以由交流傳動系統(tǒng)來完成。為了滿足不同類型的紙張生產(chǎn)和提高勞動生產(chǎn)率的需要，要求造紙生產(chǎn)線向高速化、全自動化方向發(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S7-300PLC組成的控制系統(tǒng)，完美地實(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/m²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)蛹訅汉蜌鈩蛹訅旱妊b置。紙漿通過輥?zhàn)蛹訅汉蜌鈩蛹訅赫掣皆诿忌希垵{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。毛布比較大工作張力為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，其中比較后一只為冷缸，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，其余為被動，之間通過干網(wǎng)連接。每條干網(wǎng)均配有氣動校正器、電動張緊器、導(dǎo)輥等。烘干部傳動側(cè)機(jī)架采用三角機(jī)架封閉式齒輪傳動，操作側(cè)為型鋼焊接箱型結(jié)構(gòu)，烘缸全部使用滾動軸承，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，比較后經(jīng)過水平式圓筒卷紙機(jī)將板紙成卷。

傳動形式，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)傳動點(diǎn)組成，共計(jì)363KW，每一臺交流變頻專用電機(jī)通過硬齒面齒輪減速箱直接傳動各主動輥或主動齒輪。每一傳動點(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、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/m²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傳動方式：變頻調(diào)速，分部傳動

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。

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)各傳動點(diǎn)的自動負(fù)荷均衡，每個(gè)傳動點(diǎn)設(shè)有微調(diào)按鈕，必要時(shí)進(jìn)行手動調(diào)整（通過程序限制手動微調(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，完全能滿足控制精度的要求，并且其在10~300rpm時(shí)低于10％的轉(zhuǎn)矩脈動及電機(jī)預(yù)勵(lì)磁功能，使啟動運(yùn)行平滑、無沖擊和抖動，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

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

F0.021（閉環(huán)矢量）

F0.036（通訊給定）

F0.052（通訊控制）

F0.1090（加速時(shí)間）

F0.1190（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）其它傳動點(diǎn)：0（從起動頻率起動）

F2.091（自由停車）

F3.00－F3.03ASR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

F3.07120%

F3.080(都未加制動單元)

F5.01－F5.080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）

F5.111（PA－PC輸出變頻器運(yùn)行中信號）

F6.080（AO1定義為頻率輸出）

F6.093：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。

F9.003

F9.010

F9.023～13（順序分配）

F9.034（PPO4）

F9.05PZD3連接值＝10（電機(jī)轉(zhuǎn)矩％）

F9.08PZD6連接值＝12（開關(guān)量輸入狀態(tài)）

FA.028(復(fù)位有效)

FB.00600(脈沖編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù))

FB.010(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)的抗干擾能力。鄭州變頻器　網(wǎng)址：http://m.xtze.cn 鄭州變頻器維修中心 維修電話：0371- 56700815  15515598858

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，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，即使能夠在某一頻率下啟動，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，以保證在啟動過程和恒速時(shí)進(jìn)行微調(diào)疊加的可能性。

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。

通過PLC算法解決了各傳動點(diǎn)的啟動和運(yùn)行問題，但系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)某一傳動點(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。

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)象完全消除。

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)載電流的波動較大，動態(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。

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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)了全線自動負(fù)荷均衡大大降低了操作人員的勞動強(qiáng)度。這是TD3000系列變頻器首次應(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)。