馬文明

(西京學院,陜西西安,710123)

·傳動控制·

基于A-B平臺的造紙機傳動控制系統(tǒng)設計及應用

馬文明

(西京學院,陜西西安,710123)

針對造紙機傳動控制系統(tǒng)準確實現(xiàn)速度鏈控制、負荷分配和張力控制的技術難點,設計基于A-B平臺的造紙機傳動控制系統(tǒng),對控制系統(tǒng)的硬件和軟件進行設計,重點研究速度鏈控制、負荷分配和張力控制的控制原理,設計造紙機傳動控制解決方案。

傳動控制系統(tǒng)；速度鏈控制；負荷分配

造紙機傳動控制系統(tǒng)是造紙裝備控制和驅動的中樞,其作用是實現(xiàn)造紙過程的自動化、智能化。該系統(tǒng)的研究是跨學科多領域技術的相互結合,主要涵蓋了軟件設計理論、控制理論、電力電子技術、通信技術等。經過實際調查,當前國內造紙行業(yè)有些造紙機的傳動控制系統(tǒng)自動化程度欠佳、生產能耗較高、生產效率較低。主要體現(xiàn)在以下4點：①紙機傳動在運行過程中負載波動比較大,導致速度波動也較大,容易斷紙；②負荷分配效果欠佳,常有從動點處于發(fā)電制動狀態(tài),燒毀變頻器；③紙機聯(lián)鎖控制功能不完善,經常會因為油壓等參數(shù)不正常導致紙機無法正常生產,甚至損壞紙機；④張力控制功能效果欠佳,當相鄰傳動點速度出現(xiàn)微小偏差時,紙幅的張力會發(fā)生較大的變化,容易斷紙[1]。鑒于以上描述的問題,本課題對造紙機系統(tǒng)的速度鏈控制、負荷分配控制及張力控制進行了深入研究,以尋求合理的解決方案,設計出基于A-B平臺的造紙機傳動控制系統(tǒng)。

1 造紙機傳動控制系統(tǒng)工藝介紹

造紙生產是一個多參數(shù)、多變量及非線性的工藝系統(tǒng)[1]。紙張生產流程如下：將造紙原料利用機械制漿、化學制漿等方法轉變成紙漿,根據(jù)紙張所需的強度、色調、印刷性能進行紙漿調制,將符合抄紙要求的紙漿從流漿箱流出,經過上網成形、壓榨脫水、干燥烘干、施膠和卷取等工藝形成原紙,最終經過復卷、分切及打包處理轉換為滿足要求的紙卷[1]。造紙機傳動控制系統(tǒng)作為抄紙系統(tǒng)的控制驅動中樞,基本采用分部變頻傳動方式,各分部在PLC控制下通過變頻器驅動各分部電機,電機旋轉后依靠減速箱減速,通過聯(lián)軸器帶動各傳動輥子轉動。造紙機傳動系統(tǒng)示意圖如圖1所示,上位機與PLC、人機界面與PLC、變頻器與PLC通過現(xiàn)場總線通信方式進行信息傳遞交換。

圖1 造紙機傳動控制系統(tǒng)示意圖

2 造紙機傳動控制系統(tǒng)控制要求

通過造紙機生產工藝的分析,對系統(tǒng)的要求如下：①工作速度可調節(jié) 為了使造紙機適應不同紙種和紙張定量調節(jié)的需要,系統(tǒng)應保證在較大范圍內均勻調速；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)定并可調整 為了生產質地均勻的紙張,要求各分部之間速比穩(wěn)定,同時為避免分部傳動點速度改變,要求速比可調,且不能超過其限定值；④設置爬行速度 為了檢查和清洗成形網、毛毯和干毯,同時便于檢查各分部的運行情況,要求各分部必須有15～40 m/min的爬行速度；⑤負荷分配 隨著紙機向著大幅寬、高速及大功率的方向發(fā)展,將紙機分部改成多電機傳動,針對多電機驅動同一負載的情況,必須要求進行負荷分配；⑥主車速給定 為了配合紙漿流速,使得生產的紙張質地均勻,減少斷頭,要求主車速平穩(wěn)改變[1-2]。

3 造紙機傳動控制系統(tǒng)硬件設計

本課題以河北秦皇島某造紙廠二期項目為例,進行造紙機傳動控制系統(tǒng)設計。該紙機項目幅寬為4600 mm,設計車速為450 m/min,總設計容量為1567 kW,主要傳動點總計16個,傳動點名稱及電機容量如表1所示。其中有5組負荷分配,分別為：驅網輥、真空伏輥及傳動導網輥；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 造紙機傳動點信息表

3.1 總體控制方案設計

從工程實際要求出發(fā),本系統(tǒng)為交流變頻傳動控制系統(tǒng),傳動方案采用標準三級控制模式。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Compact Logic 1769-SDN DeviceNet掃描器,用于DeviceNet網絡上的點對點的通信、I/O控制。傳動單元采用A-B PowerFlex753變頻器,配有20-COMM-D網絡適配器與PLC進行通信。該系統(tǒng)的結構示意圖如圖2所示。

圖2 造紙機傳動控制系統(tǒng)結構示意圖

圖3 變頻器硬件接線圖

3.2 變頻器硬件設計

在造紙機傳動控制系統(tǒng)中,采用現(xiàn)場總線及三級控制方案,變頻器傳動硬件的設計實現(xiàn)了標準化,可以適應不同工程項目。以二組烘缸為例,變頻器硬件接線如圖3所示。

在圖3中,傳動單元通過變頻器控制面板進行所有參數(shù)設置。圖中KA101為中間繼電器的常閉觸點,當其閉合時,變頻器進入運行使能狀態(tài)。當系統(tǒng)故障時,按下急停按鈕,中間繼電器得電,常閉觸點KA101變?yōu)槌ｉ_,變頻器運行使能位為0,傳動單元將因使能關閉而停車。當系統(tǒng)故障處理后,彈出急停按鈕,中間繼電器失電,常閉觸點重新閉合,變頻器運行使能位重新得電,傳動單元重新啟動,實現(xiàn)了硬件保護作用[3]。

4 造紙機傳動控制系統(tǒng)軟件設計

造紙機傳動控制系統(tǒng)要實現(xiàn)速度鏈和負荷分配控制,部分傳動點實現(xiàn)張力控制。通過對該系統(tǒng)的速度鏈控制、負荷分配及張力控制進行詳細分析和研究,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行系統(tǒng)速度的同步控制。將每個傳動點都看作單獨的速度對象,控制傳動點在合適的車速值工作。每個子系統(tǒng)運行在閉環(huán)情況下,并且系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差及動態(tài)誤差符合工藝要求時,各傳動點的速度僅受上一級速度的控制,實現(xiàn)速比控制算法[4]。速比控制是將所有與速度有關的工藝操作最終歸結為對傳動點的速比進行調節(jié)。任意傳動點運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。通過操作該傳動點加速、減速微調按鈕,調節(jié)速比的大小,使分部車速滿足當前的生產要求。如果生產過程中速比合適,需要消除速度的累積誤差時,通過張緊、松弛按鈕,在傳動點的速度上附加一個正或負的偏移量[4]，如圖5所示。

圖4 傳動系統(tǒng)工藝控制算法結構圖

圖5 速比控制結構圖

由于采用并行同步控制,各傳動點進行獨立調速,傳動點電機無法快速地感知彼此之間的相互變化，一旦某傳動點負載發(fā)生波動,就會造成其他傳動點速度稍微不同步。該問題在速比控制下難以調節(jié)時,需要引入速差限幅控制，即在速比調節(jié)基礎上,將波動后的相鄰傳動點速差與各傳動點速差預設值作比較,若大于速差預設值,將該速差疊加至傳動點下一級速度給定上,若小于速差預設值,則不做調整[4]。

4.2 負荷分配的分析及控制策略

在造紙生產中,各分部傳動常常會遇到多臺電機拖動同一負載的情況,例如由壓榨上輥與壓榨下輥組成的真空壓榨部,運轉時通過加壓使上下毛毯直接接觸,紙幅在毛毯中間通過。此類傳動點在實際工作時,不僅要求速度同步,同時還要求對電機的負荷進行分配。如果沒有進行負荷分配或者負荷分配不合理,則會出現(xiàn)某臺電機出力大,某臺電機出力小的情況,就可能造成嚴重的后果,或引起斷紙、撕壞毛毯,或長期過載的電機會發(fā)生故障,甚至燒毀[5]。表征每個電機負荷狀態(tài)的量稱為負載率,故負載率δ的定義為：

(1)

式中,Pi為第i臺電機的負載功率,Pie為電機的額定功率。負荷分配就是驅動同一負載的各個傳動點的電機負載率相等。在實際應用中,往往需要根據(jù)所使用的變頻器,選擇合適的負荷分配參數(shù)。這些參數(shù)通常包括電流百分數(shù)和轉矩百分數(shù)。以采用轉矩代表實際負荷的變頻器為例,其負荷分配的計算如式(2)所示。

(2)

式中,Pi為第i臺電機的負載功率,Pie為電機的額定功率,MiL為第i臺電機的實際輸出轉矩,M為期望轉矩。本課題采用基于轉矩限幅速度控制的負荷分配方案解決負荷分配。異步電動機基頻以下采用變壓變頻調速時,電磁轉矩近似正比于轉差率,因此在電機速度不變的情況下,可以通過調節(jié)變頻器輸出頻率,改變電機輸出轉矩。這種改變電機機械特性的方法可以用來實現(xiàn)負荷分配功能[5]。當分部傳動處于單動模式時,負荷分配組中的主傳動點和從動點都工作在速度控制模式,主從傳動點受速度鏈控制獨立運行。當傳動分部處于聯(lián)動模式時,主傳動點變頻器繼續(xù)工作在速度控制模式,作為負荷分配組的主傳動點,用來維持速度的穩(wěn)定。從動點也繼續(xù)工作在速度控制模式,但要求從動點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)場總線通信對負荷分配組內的從動點速度給定值給定要比主傳動點的速度給定值大1.05～1.1倍,這樣在聯(lián)動情況下,主傳動點和從動點的實際速度相同,而且等于主傳動點的給定速度。從動點的實際速度小于其給定速度值,那么從動點要增大轉矩電流值,系統(tǒng)就對從動點的正轉矩限幅值進行控制,將負荷分配組內主傳動點變頻器的轉矩實際值作為從動點變頻器的正轉矩限幅值,從動點變頻器的轉矩輸出雖然因為本身速度控制器飽和而達到額定值,但由于轉矩限幅只能輸出與主傳動點同樣大小的數(shù)值[4-5]。這樣實際效果就是從動點的實際轉矩值和主傳動點的實際轉矩值是相等的,從動點的實際轉速值不受自身控制,完全由主傳動點決定。同時當主傳動點因為負荷分配不均導致轉速下降時,主傳動點轉速控制器調節(jié)輸出。因為速度調節(jié)器的輸出,同時也是轉矩調節(jié)器的輸入,故主傳動點變頻器轉矩輸出變大,從動點轉矩輸出因為主傳動點轉矩限幅值增大而增大,直至負荷分配完成，負荷分配原理如圖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 負荷分配原理示意圖

圖7 張力控制示意圖

當相鄰傳動點轉速出現(xiàn)微小偏差時,紙張張力會發(fā)生變化,要求對某些傳動點采用張力控制,維持紙張均衡的張力,使抄紙效率和紙張質量得到提升[1- 4]。實際應用中,將張力傳感器安裝在導輥上檢測紙張實際張力,其測量值被采集到PLC中,并與張力設定值進行比較,通過差值的PID控制對下一級傳動點轉速進行調節(jié)。即實際張力較大時,減小傳動點轉速；實際張力較小時,增大傳動點轉速。通過張力控制維持紙張均衡的張力,實現(xiàn)紙張平穩(wěn)纏繞。通過對傳動點轉速的控制來實現(xiàn)張力調節(jié),達到了紙張張力均衡控制的目的，如圖7所示。

5 結 語

本課題通過對造紙機傳動控制系統(tǒng)設計關鍵問題的分析,提出了造紙機傳動工藝的解決方案。在造紙機傳動控制系統(tǒng)控制工藝要求的基礎上,進行了基于A-B平臺的硬件設計,并科學合理地分析了速度鏈控制、負荷分配控制和張力控制的原理及符合實際工程要求的控制策略。提高了傳動控制的自動化程度,使造紙機傳動控制系統(tǒng)在運行過程中達到了速度穩(wěn)定、負載分配合理、張力控制穩(wěn)定的效果。此控制系統(tǒng)符合現(xiàn)代造紙自動化的工藝設計要求,在實際工程運行中,客戶反映良好,值得推廣。

[1] MENG Yan-jing. Principle and design of variable frequency drive of paper machine[M]. Xian: Shaanxi People Publishing House, 2002. 孟彥京. 造紙機變頻傳動原理與設計[M]. 西安: 陜西人民出版社, 2002.

[2] WANG Su-e, HAO Peng-fei, MENG Yan-jing. Analysis and design of load distribution control of paper machine transmission system[J]. China Pulp & Paper, 2004, 23(8): 38.

王素娥, 郝鵬飛, 孟彥京. 紙機傳動系統(tǒng)負荷分配控制的分析與設計[J]. 中國造紙, 2004, 23(8)： 38.

[3] Rockwell Automation.PowerFlex750[S]. Series AC inverter user Manual.2009. 羅克韋爾自動化公司. PowerFlex750系列[S]. 交流變頻器用戶手冊. 2009.

[4] MA Wen-ming. Design and application of variable frequency drive system of paper machine based on PROFIBUS[J]. China Pulp & Paper, 2016, 35(7): 58. 馬文明. 基于PROFIBUS的紙機變頻傳動系統(tǒng)的設計及應用[J]. 中國造紙, 2016, 35(7)： 58.

(責任編輯：馬 忻)

推進林業(yè)生態(tài)建設 加快發(fā)展林紙循環(huán)經濟

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，電機控制與變頻調速。

2016-12- 05(修改稿)

西京學院科研基金項目(XJ150213)。

TP273

A

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