王廣智

（撫順礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司望花琥珀工貿(mào)分公司，遼寧 撫順 113000）

引言

造紙行業(yè)與人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，隨著人們生活水平的不斷提高和工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)紙張的需求量和質(zhì)量要求都越來越高，這對(duì)造紙工藝過程提出了更高的要求[1-2]。整個(gè)造紙工藝過程涉及很多環(huán)節(jié)，其中有不少環(huán)節(jié)都需要對(duì)紙張的張力進(jìn)行嚴(yán)格控制，不然會(huì)影響紙張的生產(chǎn)質(zhì)量，同時(shí)還會(huì)降低紙張的生產(chǎn)效率，影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[3-4]?；诖耍芏嘣旒堒囬g和學(xué)者針對(duì)造紙機(jī)設(shè)計(jì)研究了紙張恒張力控制系統(tǒng)[5-6]。本文以某造紙機(jī)為例，結(jié)合實(shí)際情況基于西門子PLC控制器設(shè)計(jì)了恒張力控制系統(tǒng)，對(duì)于提升造紙機(jī)生產(chǎn)工藝質(zhì)量和效率，保障企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要的實(shí)踐意義。

1 恒張力控制系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)

如圖1所示為造紙機(jī)恒張力控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可看出，系統(tǒng)主要利用張力傳感器對(duì)紙張的張力進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果經(jīng)過張力放大器模塊處理后傳輸?shù)轿鏖T子PLC控制器中。利用電機(jī)編碼器對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)PLC控制器通過輥徑計(jì)算出紙張速度后，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析判斷后下達(dá)控制指令，通過變頻器控制單元對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)收卷輥轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制。整個(gè)控制形成一個(gè)閉環(huán)，可以保障紙張張力的實(shí)時(shí)調(diào)整與控制。上位機(jī)與西門子PLC控制器直接連接，作用是對(duì)整個(gè)控制過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示與監(jiān)控，必要時(shí)還可以進(jìn)行報(bào)警以提示工作人員及時(shí)處理故障問題。工作人員也可以直接在上位機(jī)中對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整與修改。

圖1 基于西門子PLC控制器的造紙機(jī)恒張力控制系統(tǒng)整體方案

西門子PLC控制器是造紙機(jī)恒張力控制系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心，其性能好壞對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性有重要的影響，其作用主要是對(duì)各類傳感器采集得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，獲得紙張的張力值大小，并將檢測(cè)結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的張力范圍進(jìn)行比較。若實(shí)際檢測(cè)值在系統(tǒng)設(shè)定值范圍內(nèi)，則無需進(jìn)行調(diào)整；若檢測(cè)結(jié)果在系統(tǒng)設(shè)計(jì)范圍以外，則需要根據(jù)兩者的差距大小下達(dá)控制指令，通過變頻器對(duì)收卷輥的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，將紙張的張力嚴(yán)格控制在設(shè)定范圍內(nèi)，為紙張生產(chǎn)質(zhì)量奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 恒張力控制系統(tǒng)的硬件設(shè)施的選型

由于造紙機(jī)恒張力控制系統(tǒng)涉及的硬件設(shè)施比較多，以下主要就西門子PLC控制器和張力傳感器對(duì)部分核心的硬件設(shè)施的選型及其設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 西門子PLC控制器的選型

隨著工業(yè)信息化技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，PLC控制器以其顯著的優(yōu)勢(shì)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來越廣，比如PLC控制器存在抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定等諸多優(yōu)勢(shì)。目前市場(chǎng)上關(guān)于PLC控制器的生產(chǎn)廠家很多，市場(chǎng)份額比較大的主要包括德國西門子、美國AB公司、日本三菱等。在充分分析造紙機(jī)恒張力控制系統(tǒng)實(shí)際需要的基礎(chǔ)上，并考慮控制系統(tǒng)后續(xù)的拓展問題，最終選用的是德國西門子公司的S7-400型PLC控制器。西門子S7-400型PLC控制器的現(xiàn)場(chǎng)圖片見圖2。

圖2 西門子S7-400型PLC控制器的現(xiàn)場(chǎng)圖片

控制器CPU模塊。西門子S7-400型PLC控制器中CPU是比較關(guān)鍵的構(gòu)成部分，對(duì)控制器性能有重要的影響。該型號(hào)控制器中的CPU型號(hào)為416-3，屬于大型高性能CPU，其整體采用模塊化設(shè)計(jì)，可靠耐用。該CPU具有很好的拓展性能，可以連接I/O模塊提升整體的性能。該CPU具有非常優(yōu)越的性能，可外置大容量?jī)?chǔ)存卡，處理速度快，每0.3 ms可以處理大約1 000條左右的控制指令或運(yùn)算。

控制器電源模塊。電源模塊的作用是為整個(gè)西門子S7-400型PLC控制器其他模塊進(jìn)行供電，確保其他模塊的正常穩(wěn)定運(yùn)行。要求電源模塊能夠提供的功率超過其他所有模塊功率之和，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，電源模塊功率大小應(yīng)該留出30%左右的余量。結(jié)合實(shí)際情況選用的是PS407型電源模塊。該型號(hào)電源模塊可以作為負(fù)載電源，具有開路和短路保護(hù)作用，可以確保供電安全，能夠輸出的電流和電壓值分別為10 A和24 V DC。

2.2 張力傳感器的選型

張力傳感器的作用是對(duì)紙張生產(chǎn)時(shí)的張力大小進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果是控制系統(tǒng)下達(dá)控制指令的標(biāo)準(zhǔn)。在分析紙張生產(chǎn)實(shí)際張力的基礎(chǔ)上，并考慮一定余量，選用的是ABB公司PFTL 101A型張力傳感器，該型號(hào)傳感器在檢測(cè)2 000 N范圍以內(nèi)的張力時(shí)，具有非常高的準(zhǔn)確度。但是該信號(hào)傳感器檢測(cè)得到的張力信號(hào)還需要利用張力放大器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)變成為標(biāo)準(zhǔn)的4~20 mA模擬量信號(hào)，選用的張力放大器型號(hào)為ABB公司的PFEA111。ABB公司PFEA111型張力放大器現(xiàn)場(chǎng)照片見圖3。

圖3 ABB公司PFEA111型張力放大器現(xiàn)場(chǎng)照片

3 恒張力控制系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)

造紙機(jī)恒張力控制系統(tǒng)軟件程序部分在西門子公司研制的PCS7編程軟件平臺(tái)上完成，程序部分采用的是模塊化設(shè)計(jì)，將整個(gè)軟件程序中的各部分進(jìn)行獨(dú)立編程，形成子程序。主程序在運(yùn)行過程中只需要對(duì)各子程序進(jìn)行調(diào)用即可，如圖4所示為軟件主程序流程圖。由圖可知，軟件程序啟動(dòng)后，首先需要進(jìn)行初始化處理，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行讀取，再判斷各部分張力控制是否處在投用狀態(tài)。如果確認(rèn)張力控制處在投用狀態(tài)，則會(huì)調(diào)用啟動(dòng)子程序，再調(diào)用張力監(jiān)測(cè)子程序，對(duì)紙張的張力大小進(jìn)行檢測(cè)與控制，確保張力的恒定。控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，還需要判斷各分部是否存在張力過小的情況，一般來說如果張力小于設(shè)定值的30%，該分部的張力會(huì)自動(dòng)脫開，轉(zhuǎn)至速度控制。如果出現(xiàn)緊急情況或者故障問題，系統(tǒng)會(huì)啟用停機(jī)子程序，以保障造紙機(jī)運(yùn)行的安全性。

圖4 造紙機(jī)恒張力控制系統(tǒng)的軟件主程序流程圖

4 恒張力控制系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用效果研究

西門子S7-400型PLC控制器在造紙機(jī)恒張力控制系統(tǒng)中的實(shí)踐應(yīng)用，取得了相對(duì)較好的應(yīng)用效果。在保障紙張生產(chǎn)質(zhì)量，提升造紙車間生產(chǎn)效益方面發(fā)揮著非常重要的作用具體體現(xiàn)如下：

1）提升了造紙車間的自動(dòng)化控制水平。西門子PLC控制器在造紙機(jī)恒張力控制系統(tǒng)中的實(shí)踐應(yīng)用，使得造紙?jiān)O(shè)備能夠自動(dòng)對(duì)紙張的張力大小進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制，顯著提升了紙張的生產(chǎn)技術(shù)含量和設(shè)備的自動(dòng)化水平，有利于造紙企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2）為提升紙張生產(chǎn)質(zhì)量奠定了良好的基礎(chǔ)。恒張力控制系統(tǒng)通過閉環(huán)方式進(jìn)行控制，中間無需通過人為方式進(jìn)行干預(yù)，有效避免了人為操作過程中的誤差和失誤。系統(tǒng)可以對(duì)紙張張力進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速的檢測(cè)與調(diào)整，因此生產(chǎn)得到的紙張質(zhì)量更優(yōu)。可以為造紙企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中贏得更大的市場(chǎng)份額，從而創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

1）整個(gè)恒張力控制系統(tǒng)采用的是閉環(huán)控制模式，通過張力傳感器對(duì)造紙機(jī)工作時(shí)紙張的張力大小進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過張力放大器傳輸至PLC控制器中進(jìn)行分析對(duì)比，最終實(shí)現(xiàn)紙帶張力大小的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確控制。

2）控制器在控制系統(tǒng)中發(fā)揮著舉足輕松的作用，結(jié)合實(shí)際情況選用的是西門子公司生產(chǎn)研制的S7-400型PLC控制器，具有良好的性能，有效保障了恒張力控制系統(tǒng)運(yùn)行過程的穩(wěn)定性和控制精度。

3）西門子S7-400型PLC控制器的實(shí)踐應(yīng)用取得了很好的應(yīng)用效果，提升了造紙機(jī)的自動(dòng)化水平，為造紙企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。