朱忠杰

摘 要：針對高速紙機(jī)電氣傳動系統(tǒng)傳動點(diǎn)多、相互之間工作狀態(tài)聯(lián)系緊密，整個(gè)生產(chǎn)線控制設(shè)備、儀表設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)要求穩(wěn)定、可靠、耐用，否則若其中某個(gè)傳動點(diǎn)、模塊通道、儀表及網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，就會對整個(gè)抄紙流程連續(xù)性和現(xiàn)場設(shè)備以及人身安全造成威脅等特點(diǎn)，利用SIMATIC PDM技術(shù)對高速紙機(jī)電氣傳動控制系統(tǒng)進(jìn)行自動化配置，起到提高整個(gè)抄紙過程工作效率、控制精度、節(jié)省生產(chǎn)線成本、預(yù)防和避免設(shè)備故障及危險(xiǎn)和做到實(shí)時(shí)追蹤系統(tǒng)工作狀態(tài)的效果。

關(guān)鍵詞：PDM；造紙機(jī)；電氣傳動；診斷

引言

目前，造紙機(jī)（Paper Machine）不斷向著連續(xù)化、大型化、集成化、自動化、高速度、高負(fù)荷以及設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜方向發(fā)展，特別是高速造紙機(jī)，對電氣傳動系統(tǒng)穩(wěn)定性要求越來越高。如何進(jìn)一步確保紙機(jī)電氣傳動控制系統(tǒng)安全正常運(yùn)行、做到系統(tǒng)預(yù)知性可視化維護(hù)、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)且可操作，并具有良好的快速性、智能性，已成為提高紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)效益、車速、穩(wěn)定性和實(shí)用性的關(guān)鍵。SIMATIC PDM（Process Device Manager，過程設(shè)備管理器）是西門子公司開發(fā)的系統(tǒng)監(jiān)控軟件，其可對現(xiàn)場智能設(shè)備（傳感器和執(zhí)行器）和現(xiàn)場組件（遠(yuǎn)程 I/O、多路復(fù)用器、控制室單元和緊湊型控制器）在線進(jìn)行組態(tài)、參數(shù)分配、調(diào)試、診斷及維護(hù)。因此，本文鑒于生產(chǎn)實(shí)際對高速紙機(jī)電氣傳動控制系統(tǒng)可靠性、可視化監(jiān)控的需求，利用SIMATIC PDM技術(shù)構(gòu)建耐用、穩(wěn)定及更小故障和停機(jī)的高速紙機(jī)電氣傳動系統(tǒng)，系統(tǒng)可以做到合理布局及減少構(gòu)件，全時(shí)段保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、優(yōu)化和監(jiān)控控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

SIMATIC PDM提供了所有組態(tài)網(wǎng)絡(luò)中全部組態(tài)設(shè)備的總攬；過程設(shè)備網(wǎng)絡(luò)視圖則可以映射工廠拓?fù)洳⒔o相關(guān)設(shè)備對象分配參數(shù)，甚至監(jiān)控PDM對象的網(wǎng)絡(luò)鏈接，使得如果某個(gè)對象已被其他用戶打開，它還可以做到顯示一條消息及指出打開對象的相應(yīng)用戶和PC[6]。如圖1所示為本設(shè)計(jì)的紙機(jī)電氣傳動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

當(dāng)系統(tǒng)啟動運(yùn)行后，相應(yīng)的傳感器采集有關(guān)的生產(chǎn)工藝等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)送入PLC進(jìn)行控制運(yùn)算，得到的結(jié)果作為控制信號再送給變頻器等設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速和控制相應(yīng)閥門。在系統(tǒng)啟動運(yùn)行的同時(shí)，操作員站也會將自動化站的有關(guān)數(shù)據(jù)采集上來作相關(guān)的數(shù)據(jù)顯示、設(shè)定、和記錄來自過程數(shù)據(jù)庫的歷史數(shù)據(jù)等，這時(shí)操作員站當(dāng)然也可將有關(guān)變量的設(shè)定值進(jìn)行修改，修改結(jié)果送入PLC，達(dá)到實(shí)時(shí)控制設(shè)備的目的。并且操作員站中的PDM可對整個(gè)電氣傳動系統(tǒng)的控制器、通訊網(wǎng)絡(luò)及裝置、遠(yuǎn)程I/O從站、現(xiàn)場儀表及執(zhí)行器等進(jìn)行在線實(shí)時(shí)調(diào)校和監(jiān)視其工作狀態(tài)及對儀表的狀態(tài)進(jìn)行評估，使得在儀表、閥門等徹底失效之前系統(tǒng)可以進(jìn)行維護(hù)，從而減少系統(tǒng)因此造成的停機(jī)時(shí)間，這將大大提高整個(gè)紙幅電氣傳動控制系統(tǒng)的精度、可控性、穩(wěn)定性和可操作性。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

以一臺10米抄幅1200m/min車速的新型高速紙機(jī)為例，其傳動控制系統(tǒng)的相關(guān)傳動控制點(diǎn)有1000多個(gè)，傳動線路復(fù)雜，控制回路多、負(fù)載多變、電機(jī)傳動也具有強(qiáng)耦合性。再加上由于紙機(jī)高速寬幅運(yùn)行，傳遞紙頁薄而寬，特別是濕紙頁強(qiáng)度低，這就要求紙機(jī)各分部間傳動點(diǎn)動態(tài)平衡匹配性高、實(shí)時(shí)調(diào)整精度高。本設(shè)計(jì)利用SIMATIC PDM技術(shù)對高速紙機(jī)電氣傳動控制系統(tǒng)進(jìn)行自動化配置，起到提高整個(gè)抄紙過程工作效率、控制精度、節(jié)省生產(chǎn)線成本、預(yù)防和避免設(shè)備故障及危險(xiǎn)，甚至實(shí)時(shí)追蹤系統(tǒng)工作狀態(tài)的效果，從而避免紙機(jī)抄紙過程各部分間發(fā)生以下情況：①部件故障引起生產(chǎn)線生產(chǎn)率下降；②設(shè)備硬件老化導(dǎo)致硬件指標(biāo)下降而造成紙幅斷頭現(xiàn)象，并同時(shí)需要重新引紙和調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，造成設(shè)備起機(jī)成本增加和系統(tǒng)數(shù)據(jù)重構(gòu)；③生產(chǎn)設(shè)備故障或燒毀的潛在性，增大了投資危險(xiǎn)；④無法保證設(shè)備24小時(shí)無人維護(hù)運(yùn)行。進(jìn)而可以在控制室里利用SIMATIC PDM對現(xiàn)場設(shè)備（壓力傳感器、速度編碼器、溫度傳感器、定量及水分測量儀等）進(jìn)行調(diào)校，同時(shí)反映現(xiàn)場儀表、控制器、電機(jī)、通訊網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備的工作狀態(tài)，并對其調(diào)試、維護(hù)、診斷和顯示工作，使得在儀表、控制器、通訊網(wǎng)絡(luò)等徹底失效之前就進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)，減少了因此造成的停機(jī)時(shí)間，從而在控制室就可以實(shí)時(shí)維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性、可靠性和穩(wěn)定性。并采用PCS7平臺的CFC編程語言做控制運(yùn)算來對紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，使得各分部速度鏈控制，負(fù)荷分配控制，張力控制進(jìn)行集成，其中上位機(jī)在線實(shí)時(shí)檢測抄紙全過程工藝參數(shù)并歸檔分析，而且整個(gè)系統(tǒng)利用高效的現(xiàn)場總線冗余通訊技術(shù)來保障電氣傳動控制系統(tǒng)的通訊安全和質(zhì)量，從而整個(gè)方案設(shè)計(jì)在保證高可靠性的系統(tǒng)配置下，利用PDM組件進(jìn)一步對整個(gè)抄紙過程做運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場儀表的在線監(jiān)測，使工程師可以根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)在控制室內(nèi)就能進(jìn)行硬件（儀表、電機(jī)等設(shè)備）參數(shù)調(diào)整、故障檢測和分析，無需到現(xiàn)場來調(diào)整儀表參數(shù)和拆卸儀表進(jìn)行檢修。

3 方案實(shí)現(xiàn)

在裝有PDM軟件的工程師站中導(dǎo)入紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的EDDL（Electronic Device Description Language）文件，利用CFC編程語言實(shí)現(xiàn)抄紙運(yùn)行各分部間電氣傳動控制的功能塊自定義，采用SFC編程實(shí)現(xiàn)順序、內(nèi)部連鎖等控制邏輯及相關(guān)參數(shù)的可視化。并進(jìn)行控制的安全連鎖設(shè)置和分配不同程序邏輯的優(yōu)先級，及保證安全聯(lián)鎖一直有效。其中，主程序通過PLC端口程序掃描各傳動點(diǎn)加、減、緊狀態(tài)，看是否需要進(jìn)行負(fù)荷分配控制，再對張力控制信號進(jìn)行分析，確定是否需要張力控制。在張力控制CFC子程序中[3]，張力實(shí)際值和張力設(shè)定值都換算為百分比的形式，根據(jù)不同紙種控制經(jīng)驗(yàn)值，設(shè)定其超調(diào)范圍，以減弱張力調(diào)節(jié)的動態(tài)震蕩。考慮由于系統(tǒng)中既有施膠、又有壓光機(jī)與卷紙機(jī)的張力控制，設(shè)計(jì)利用CFC程序組成干部張力鏈來對整個(gè)干部的張力進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。即設(shè)計(jì)可以在系統(tǒng)車速變化時(shí)隨時(shí)讀出這些經(jīng)驗(yàn)值做動態(tài)張力調(diào)節(jié)，減少了由于各張力點(diǎn)獨(dú)立調(diào)節(jié)時(shí)所引起的滯后，最大限度地減少了由于張力控制不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致的斷紙。再此程序設(shè)計(jì)中還設(shè)有速度控制和負(fù)荷分配控制的切換，紙頁引入之前為速度控制，紙頁引入之后，轉(zhuǎn)為“速度控制+張力控制”。當(dāng)然為了更好的適應(yīng)工況變化，設(shè)計(jì)中負(fù)荷分配和速度鏈控制、速度鏈和張力控制既獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)，程序在張力傳感器前加有斷紙檢測，出現(xiàn)斷紙，自動退出張力控制模式， 轉(zhuǎn)為速度控制模式，待紙頁重新引上后，斷紙信號消失，自動轉(zhuǎn)換為張力控制模式，因帶有速度限幅，可以來防止斷紙時(shí)出現(xiàn)飛車現(xiàn)象，PDM又對各傳感器、控制器、電機(jī)、通訊設(shè)備等裝置運(yùn)行信號進(jìn)行分析并及時(shí)報(bào)警來有效預(yù)防相關(guān)裝置故障對生產(chǎn)的影響，這將大大提高本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的自動化水平和穩(wěn)定性。如圖2所示為該設(shè)計(jì)的軟件工作流程圖。

4 實(shí)際應(yīng)用

依據(jù)現(xiàn)場情況，如圖3、4、5、6所示。在工程師站觀測到的項(xiàng)目中的某裝置在PDM軟件上的監(jiān)測情況為例，PDM界面同時(shí)顯示了該對象的空間、距離、體積、電流值、設(shè)備狀態(tài)，同時(shí)還提供選擇輸出電流所對應(yīng)的物理量，特別反映了設(shè)備回波的各項(xiàng)參數(shù)，如短發(fā)射的置信度、長發(fā)射的置信度、盲區(qū)、發(fā)射類型、實(shí)際的回波圖和TVT曲線，這樣工程師根據(jù)回波情況分析產(chǎn)生失波和虛假回波的原因便可做到設(shè)備故障的監(jiān)測和處理。再加上由于PDM可以對儀表的損耗情況進(jìn)行監(jiān)督，包括設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、上電次數(shù)、儀表運(yùn)行過程中出現(xiàn)的最高溫度及通訊狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)等。如是對整個(gè)紙機(jī)傳動系統(tǒng)的其他設(shè)備（電機(jī)、閥門、變頻器等）做該類似的參數(shù)設(shè)置與監(jiān)測，這勢必對我們進(jìn)行造紙?jiān)O(shè)備管理及升級，資產(chǎn)評估，安全監(jiān)督，投資危險(xiǎn)防范等都有重要意義。

5 結(jié)束語

通過利用SIMATIC PDM技術(shù)對高速紙機(jī)電氣傳動控制系統(tǒng)進(jìn)行自動化配置設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在控制室就能實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備和抄紙全過程的設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)，無需多次拆裝設(shè)備就能進(jìn)行診斷，這對造紙業(yè)安全生產(chǎn)、減少維修人員工作量、合理投資及預(yù)防現(xiàn)場風(fēng)險(xiǎn)都有重要意義，甚至起到提高系統(tǒng)工作的效率、控制精度、節(jié)省生產(chǎn)線成本、實(shí)時(shí)追蹤工作狀態(tài)的效果，該設(shè)計(jì)必將充分保障我國造紙業(yè)生產(chǎn)的安全性、高效性及提升我國造紙機(jī)的自動化水平。

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