在紙機分部傳動系統中, 多臺電機的同步傳動控制(無論交流傳動還是直流傳動) 問題是傳動控制系統的關鍵, 它直接影響系統的可靠性和控制精度, 影響產品的質量和產量。尤其是對于高速紙機, 由于系統動態性能要求的提高和不確定因素的增多, 使得其同步傳動控制問題變得更加復雜和困難。紙機的同步傳動控制非常復雜, 具體表現在以下幾個方面: ①系統變量多、參數多, 例如張力、速度、電流、電壓、負載等; ②交流電動機的非線性; ③負載的不確定性;④多電機間性能的不匹配; ⑤多電機之間存在耦合。因此, 如何利用先進技術和先進設備來實現紙機同步傳動控制, 獲得最大同步傳動速度, 提高紙的質量和系統運行的安全可靠性, 已成為造紙企業亟待解決的難題和研究熱點。本文選用可編程計算機控制器(PCC-Programmable Computer Controller) 來組成分層遞階式交流變頻網絡控制系統, 大大節約了設計時間, 并提高了紙機傳動控制系統通信速度與質量, 穩定性高, 實時性好且易于擴展。
1 紙機傳動控制系統
傳動控制是整個紙機控制的基本回路, 其必須完成速度鏈控制、張力控制, 并需考慮負荷分配問題。以3400/ 250 牛皮白紙板機為例, 主傳動共17 個傳動點, 包含芯網驅網輥、成形輥, 襯網伏輥、成形輥,面網伏輥、成形輥, 底網真空伏輥、驅網輥, 第1 導網輥, 真空吸移輥, 真空壓榨輥, 大輥徑壓輥( 4組) , 光壓下輥, 烘缸傳動(4 組) , 施膠輥, 壓光機下輥, 卷紙缸傳動,總傳動功率為1117kW。通過研究紙機傳動控制的特點, 選用PCC B&R 2005 組成分層遞階式網絡控制系統, 其傳動控制系統結構如圖1所示。
圖1 分層遞階式控制系統結構示意圖
PCC B&R 2005 采用模塊化結構系統, 這種結構的特點是: CPU 為獨立模塊, 輸入、輸出、電源等也是獨立模塊。要組成1 個系統, 只須將所需的模塊插入基板即可。它能通過現場總線PROFIBUS、CAN 組成控制網絡, 也可以通過以太網ETHERNET 協議組成以太網控制網絡, 組網非常方便。B&R 2005 帶有操作系統, 更多的控制任務可以通過分時多任務處理, 增強了系統的實時性；其編程可以采用高級語言, 如C、Automation Studio Basic 等, 能實現復雜算法的編程[1 - 2 ] 。
紙機傳動控制系統的組織級由上位工業控制計算機(IPC) 來實現, 完成整個傳動控制的數據處理以及控制決策, 它與B&R 2005 通過ETHERNET 以太網接口相連。分層遞階式控制系統的協調級由B&R 2005來實現, 它與另外的負責輔助傳動控制的B&R 2005通過PROFIBUS 相連, B&R 2005 的NW150 模塊提供標準的PROFIBUS 接口。變頻器、電機以及各種傳感器執行分層遞階式控制系統的控制級任務。變頻器通過CAN 總線掛接在控制網絡中。B&R 2005 的IF671協處理器提供1個 RS232 接口、1 個RS485/ 422 接口和1 個CAN 接口。利用CAN 接口, 變頻器通過CAN總線掛接在控制網絡中。
2 根據造紙工藝要求, 紙機車速(v) 和抄紙定量(q) 之間存在下列關系[3] : Δq/ q =Δv/ v (其中Δq 是定量容許公差范圍, Δv 是紙機車速容許公差范圍) 。為了保證紙的定量能夠在許可公差范圍之內, 要求紙機車速穩定, 速度只能在一定的許可范圍內波動, 通常生產時, 紙機車速偏差Δv 不超過±( 1.5 %～1 %) , 紙板機車速不超過±(1.5 %～21 %) 。因此, 穩定的紙機車速能保證紙的定量穩定, 并避免斷紙及其他一些問題。紙機各個分部的線速度隨著紙的品種、抄紙速度、紙張水分含量等因素改變, 但在某一品種某一速度區, 各個分部間速度的比例基本不變, 紙機前后各分部間速度是一種比例協調關系, 如圖2 所示, 前一分部速度是后一分部速度的Ki 倍。紙機傳動還要保證能夠準確地調整各個分部的速度。
圖2 各分部速度比例分布示意圖
紙機的速度鏈控制是整個傳動控制的基本回路。舊式紙機用1 臺定速式變速的交流電動機通過皮帶輪、減速裝置、齒輪等帶動紙機各個分部。這就是通常所說的總軸傳動方式, 現代化的紙機傳動多采用分部傳動方式, 即各個不同的分部都采用1 臺以上的電機傳動。針對17 個主傳動點, 每臺電機配備1 臺變頻器, 采用德國LENZE 公司的Lenze93 系列高性能變頻器, 通過CAN 接口卡掛接在控制系統中。而且每臺電機都帶有每轉產生1024 個脈沖的增量式光電編碼器, 以完成速度反饋控制。
B&R 2005 通過檢測各輸入點的狀態, 判斷升速、降速、緊紙、松紙及是否微調, 并實現運行、爬行,以及單動、聯動等控制。速度設定值由上位工控機設定, 通過B&R 2005 提供的過程可視化接口( PVI-Process Visualize Interface) 進入B&R 2005 ; 現場的增速、減速等信號由數字輸入模塊DI350 進入B&R 2005 , 通過B&R 2005 的內部計算補償輸出, 由CAN 總線進入變頻器, 以達到調整變比的目的。
在分部傳動中, 當前一分部的速度變化時, 不能影響其前面分部的速度, 只對后面分部的速度有影響。主傳動的17 個傳動點都是通過CAN 總線和B&R2005 相連, 它們組成17 個CAN 從站點, 編號從2 號一直到18 號, 其中1 號站點已經被作為CAN 主站的B&R 2005 所占用。在實現速度鏈時, 排好號的站點的速度變化只影響后面站點的速度, 這樣通過CAN總線反映到各個傳動點, 實現起來方便易行。由于使用了CAN 總線, 數據在系統中高速傳輸, 當速度給定值變化時, 實際速度響應快速跟蹤, 保證了控制的實時性。
由于卷紙部隨著紙卷半徑的逐漸增大, 整個輥的轉動慣量也隨之變化, 此時若用普通的PID 調節器,已經很難適應參數不斷變化的需要, 所以此處選用模糊自適應控制。
3 負荷分配
紙機的同一分部若有多個電機時還得進行負荷分配控制。例如紙機的網部真空伏輥、驅動輥、第1 導網輥和光壓上、下輥等, 各傳動點之間要求速度同步的同時還要求負載均衡, 否則會影響正常抄紙。當負荷不能均勻分布時, 有可能撕壞毛布或造成斷紙; 另外, 負荷分配不平衡可能會造成某一個或多個電機過負荷運轉, 有時速度過快的電機會拖動速度較慢的電機, 增加了電機負荷, 影響電機壽命, 甚至會燒毀電機[4] 。所以有必要在各個分部中的各自傳動點之間實
施負荷自動分配控制功能。
傳動控制要求各傳動點電機負載率δ相同, 即
其中Pi 為第i 臺電機所承擔的負載功率, P ie為第i 臺電機的額定功率。但是在實際控制系統中, 由于電機功率是間接量, 難以測量, 所以多以電機定子電流代替電機功率。其算式如下:
其中Ili為第i 臺電機的負載電流, Iei為第i 臺電機的額定電流, Il 為負載總電流。
B&R 2005 通過CAN 總線從變頻器中讀取各個傳動點電機的電流值, 其后進行計算處理, 經由CAN總線將控制變化量累加到原先的控制量上, 輸出給各個變頻器。另外, 各電機的電流通過B&R 2005 上傳給上位工控機, 通過對電流的監視, 判斷系統的運行狀況。由于公式(2) 是簡單線性化的結果, 若用在高速紙機中, 需要進行補償運算處理。
4 張力控制
壓光機、卷紙機和復卷機需要進行張力控制。張力控制的需求是由造紙工藝決定的。張力過緊會造成更多的斷頭和卷紙的錐形擠出; 張力過松會導致紙張塌陷, 影響紙的質量和紙機的生產速度[5] 。張力傳感器將張力信號檢測出來送到B&R 2005 的模擬量輸入模塊AI775 , 構成張力閉環控制以保持紙張的張力恒定。AI775 能接收0/ 4～20mA 的信號, 分辨率是12位, 其接收的信號經過標度轉換和張力設定值運算后, 通過張力調節器, 并經過補償運算疊加到速
