李天利 周明勞

(1.陜西科技大學(xué)，陜西西安，710021;2.陜西省西鳳酒集團(tuán)有限公司，陜西鳳翔，721400)

復(fù)卷機是一種間歇性的生產(chǎn)機械，圖1所示是雙支承下引紙復(fù)卷機的結(jié)構(gòu)示意圖［1］。一次生產(chǎn)周期包括引紙、升速、勻速運行、降速和停機等過程，其勻速運行的時間不長，因為成品紙卷的直徑是固定的，不需要太長的時間即可完成，尤其是高速復(fù)卷機。從生產(chǎn)能力上說，復(fù)卷機的紙幅寬度、車速、輔助工序所需的時間和成品紙卷的卷徑都是影響其生產(chǎn)能力的主要因素。其中紙幅寬度和成品紙卷的卷徑一般是不變化的，復(fù)卷機的車速和輔助工序所需的時間在不同的條件下對生產(chǎn)能力的影響也是不同的。低速復(fù)卷機增加車速對提高生產(chǎn)能力影響較大，但對高速復(fù)卷機，車速進(jìn)一步提高對其生產(chǎn)能力的影響是有限的。所以在一個生產(chǎn)周期中，如何使周期縮短及如何使產(chǎn)品復(fù)卷質(zhì)量好，這就是復(fù)卷機的控制目標(biāo)，從引紙、升速、勻速運行、降速和停機這些過程看，勻速運行時卷紙的質(zhì)量及運行階段都能較好控制，因為復(fù)卷機處于一個穩(wěn)定運行狀態(tài)，電氣控制的指標(biāo)能較好地實現(xiàn)，引紙基本是由人工完成的，因此要達(dá)到復(fù)卷機的控制目標(biāo)，升降速的過程控制是一個重要環(huán)節(jié)，而且這個過程對復(fù)卷質(zhì)量有較大影響。

圖1 雙支承下引紙復(fù)卷機結(jié)構(gòu)示意圖

1 復(fù)卷機升降速過程對復(fù)卷質(zhì)量的影響

復(fù)卷機的升降過程中為使紙幅不受沖擊張力，減少甚至于不出現(xiàn)斷頭，總是希望其啟動和停止能平穩(wěn)地進(jìn)行，若不能平穩(wěn)則會產(chǎn)生:①紙幅斷頭速度的非平穩(wěn)變化會將紙張撕裂形成斷頭;②盤面不齊 速度的控制不當(dāng)將會使紙幅張力控制難以達(dá)到要求，成品紙卷的盤面就會不齊;③卷紙緊度不合要求 卷紙緊度主要由壓紙輥壓力控制，但速度控制不穩(wěn)也會影響緊度;④造成紙幅堆積，形成浪費，這種情況多出現(xiàn)在急停狀態(tài)下，由于退紙輥的大慣性而且機械抱閘不能瞬間抱死所致;⑤降低整機自動化水平，影響產(chǎn)能進(jìn)一步提高，升降速過程的控制將影響復(fù)卷機的整機控制水平從而影響產(chǎn)量的進(jìn)一步提高。

2 復(fù)卷機升降速過程的五段S曲線及實現(xiàn)

2.1 現(xiàn)行復(fù)卷機升降速過程的控制及問題

復(fù)卷機中是一個頻繁啟停的設(shè)備，對加減速的要求較高，以前采用較多的是七段加減速曲線及其算法。七段加減速曲線分為加加速、勻加速、減加速、勻速、加減速、勻減速、減加速，見圖2所示。它雖然能較好地解決速度與速度的連續(xù)，但問題是分段較多、程序?qū)崿F(xiàn)比較復(fù)雜，用戶程序執(zhí)行周期較長，這對高速復(fù)卷機的影響很大，實時控制變差。由于分段較多，拐角多，在每個加速度的轉(zhuǎn)換點即拐角處的速度控制比較難，容易超調(diào)致使速度出現(xiàn)波動從而影響紙幅張力形成斷頭。因此，本設(shè)計采用五段S加減速控制，以實現(xiàn)啟動與停止的過程中速度的平穩(wěn)問題和控制精度問題。

圖2 七段S加減速曲線

2.2 復(fù)卷機升降速過程的五段S曲線

圖3 五段S加減速曲線

五段S加減速曲線最早應(yīng)用于數(shù)控加工技術(shù)中用來提高加工的精度，解決拐角運動的加減速控制問題，圖3是五段S加減速曲線［2］，它可分為加加速(T1)、減加速 (T2)、勻速 (T3)、加減速 (T4)、減加速 (T5)五段，較好地解決了在加速和減速過程中速度的平穩(wěn)變化問題。

圖3中的Vf為復(fù)卷機的穩(wěn)態(tài)運行速度，常見為1500～2000 m/min;Vm為加加速最大值，按調(diào)試經(jīng)驗可取穩(wěn)態(tài)運行速度的0.4～0.5倍;T1～T5為各段運行時間，具體視復(fù)卷機的機械情況和復(fù)卷成品紙的直徑等要求來確定，其中T1+T2是加速時間，T4+T5是減速時間，為了使起始點與減加速末的加速度都為零，要滿足加加速時間等于減加速時間即T1=T2，同理T4=T5。復(fù)卷機運行時通?？稍O(shè)加速時間與減速時間相等即T1=T2=T4=T5=TM，能滿足復(fù)卷機的要求。J為加加速度，它要根據(jù)加速時間和穩(wěn)態(tài)運行速度來計算:

根據(jù)圖3和相關(guān)的數(shù)學(xué)公式可推得加速度a和速度 v的計算公式［2］:

從公式 (1)、(2)、(3)可知，當(dāng)確定Vf、TM、T3以后，就可設(shè)計出復(fù)卷機的五段S加減速曲線，求出各段的加速度、速度的值，按此值通過可編程序控制器輸出指令控制相應(yīng)的調(diào)速裝置即可完成對復(fù)卷機的升降速過程實施平穩(wěn)控制。

2.3 復(fù)卷機升降速過程的控制實現(xiàn)

從控制上看，復(fù)卷機前后底輥的傳動電機采用電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，在電流檢測、速度檢測以及電流給定和轉(zhuǎn)速給定中增加濾波環(huán)節(jié)，它能濾除檢測信號中的諧波和其他干擾，這個一般是低通濾波，可用一階慣性環(huán)節(jié)表示。給定信號通道上增加一個同等時間的慣性環(huán)節(jié)，其意義是讓給定信號和反饋信號在時間上得到恰當(dāng)配合［3］。后底輥是整機車速的控制點，其速度給定由可編程序控制器通過公式 (3)計算出再由現(xiàn)場總線發(fā)給它的調(diào)速裝置去執(zhí)行。退紙輥的傳動電機采用電流、轉(zhuǎn)速、張力三閉環(huán)控制，張力環(huán)的輸出就是速度環(huán)的輸入，速度環(huán)的輸出是電流環(huán)的輸入，退紙輥的控制并不需刻意去控制它的轉(zhuǎn)速，只要張力滿足要求即可。張力控制采用間接張力和直接張力相結(jié)合的方式 (復(fù)合張力控制)，升降速過程中退卷直徑變化大、動態(tài)轉(zhuǎn)矩也變化大，通過調(diào)速裝置(如590)的功能模塊結(jié)合張力需求值和實時退卷直徑 (用超聲傳感器檢測獲得)計算出所需轉(zhuǎn)矩，同時檢測張力 (用張力傳感器獲得)的實際值，把張力偏差經(jīng)張力調(diào)節(jié)器運算后疊加到該轉(zhuǎn)矩上，再進(jìn)一步由該轉(zhuǎn)矩和電機實時磁通計算出電機電樞電流，作為電流環(huán)輸入達(dá)到張力控制的目的［4］。所以退紙輥的控制實際是轉(zhuǎn)矩控制，調(diào)速裝置中一般都有功能模塊可自由組態(tài)，十分方便。

復(fù)卷機的控制是由可編程序控制器協(xié)調(diào)控制的，升降速過程的程序執(zhí)行流程見圖4所示。其中初始化包括:獲得加減速時間，穩(wěn)態(tài)運行速度，成品紙卷的卷徑，張力給定等參數(shù);加加速度J可由公式 (1)求取，T1、T2、T4、T5各段速度可由公式 (3)計算，T3通過可編程序控制器中的計時器獲得:T3=t3－t2(見圖3)，其中t2為穩(wěn)態(tài)運行起始點，可編程序控制器從此點開始計時直到接到停車指令 (t3)為止。T3為穩(wěn)態(tài)運行時間，可顯示在操作臺的操作屏上應(yīng)用于設(shè)備運行情況分析，也可為操作人員的下一次操作建立參考。

圖4 升降速過程的程序執(zhí)行流程

3 應(yīng)用情況

案例1:幅寬3200 mm，工作車速800 m/min，調(diào)速裝置為歐陸590+(110A兩臺+165A一臺)，PLC為西門子226。在生產(chǎn)現(xiàn)場帶負(fù)載調(diào)試時先使用七段升降速曲線，平均升降速時間約100 s，速度精度約0.70%，速度超調(diào)0.60%，后使用五段升降速曲線，平均升降速時間約90 s，可節(jié)省大約10 s，而且PLC掃描周期也會縮短約16 ms(除升降速外其他用戶程序相同)，速度精度約0.65%，速度超調(diào)0.50%。

案例2:幅寬3150 mm，工作車速1800 m/min，調(diào)速裝置為ABBDCS550(200A兩臺+350A一臺)，PLC為西門子313C-2DP。在生產(chǎn)現(xiàn)場帶負(fù)載調(diào)試時先使用七段升降速曲線，平均升降速時間約90 s，速度精度約0.54%，后使用五段升降速曲線，平均升降速時間約 80 s，可節(jié)省大約 10 s，速度超調(diào)0.60%，而且PLC掃描周期也會縮短約10 ms(除升降速外其他用戶程序相同)，速度精度約0.50%，速度超調(diào)0.45%。

說明:案例1中PLC只有抱閘、急停等數(shù)字量的控制;案例2中有抱閘、急停、輔助電機和液壓等數(shù)字量的控制。

4 結(jié)論

分析了五段加減速曲線并給出了加加速度、加速度、速度的表達(dá)式，將此理論應(yīng)用于復(fù)卷機運行過程中的升、降速過程中，既能較好地解決升降速過程中的速度平滑變化問題，也能縮短系統(tǒng)的升降速時間和PLC的掃描周期，進(jìn)而也為解決恒張力創(chuàng)造了條件，提高了復(fù)卷機的復(fù)卷質(zhì)量和自動化水平。

［1］ 李天利．基于可編程序控制器的復(fù)卷機電氣自動控制［J］．中國造紙，2012，31(6):59．

［2］ 李曉輝，鄔義杰，冷洪濱．S曲線加減速控制新方法的研究［J］．組合機床與自動化加工技術(shù)，2007(10):50．

［3］ 阮 毅，陳伯時．電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2010．

［4］ 孫 標(biāo)，苗滿香．直流復(fù)卷機動態(tài)過程的張力控制［J］．中國造紙，2008，27(8):52．