基于嵌入式控制器的造紙機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冉會(huì)中，余 勇

RAN Hui-zhong1, YU Yong2

（1. 成都紡織高等專科學(xué)校 電子信息與電氣工程系，成都 611731；2. 成都軍通通信股份有限公司，成都 610041）

0 引言

對(duì)中小型造紙機(jī)而言，傳動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)變速的分部傳動(dòng)控制系統(tǒng)，且要求控制穩(wěn)定、精確。紙機(jī)運(yùn)行的好壞，其傳動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)較為重要的因素。

[1]應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了造紙機(jī)控制器，是嵌入式技術(shù)的新的應(yīng)用。本文利用參考文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)的嵌入式控制器，進(jìn)行造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 控制要求

本系統(tǒng)使用如圖1所示的造紙機(jī)，該造紙機(jī)傳動(dòng)點(diǎn)為18個(gè)，每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)使用交流電機(jī)單獨(dú)拖動(dòng)。系統(tǒng)的控制以嵌入式控制器為核心，由嵌入式控制器對(duì)每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的操作信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并把相應(yīng)的控制信號(hào)以通信的方式傳送給變頻器[1]。

圖1 造紙機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖

造紙機(jī)正常運(yùn)行對(duì)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求有以下幾點(diǎn)：紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)要有一定的穩(wěn)態(tài)精度和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)；工作速度可調(diào)；各傳動(dòng)分部間速比穩(wěn)定、可調(diào)；各分部應(yīng)具有可調(diào)的爬行速度和反爬行功能；各部分負(fù)荷可調(diào)；網(wǎng)部、卷紙機(jī)等分部的張力要恒定；各分部具有微升、微降功能，緊紙、松紙功能，必要的顯示功能；相關(guān)聯(lián)的分部具有單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)功能；紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)具有抗干擾能力。

依據(jù)該造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制的要求和特點(diǎn)，進(jìn)行電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以完成控制功能。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)造紙機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，必須采用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)紙機(jī)的控制[2]。

本造紙機(jī)是具有18個(gè)主傳動(dòng)點(diǎn)的紙機(jī)。其中，瞬時(shí)至少有1臺(tái)電機(jī)參與和實(shí)現(xiàn)速度鏈控制。根據(jù)的控制要求和特點(diǎn)，選用CAN總線，構(gòu)成整個(gè)造紙機(jī)的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其紙機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制器構(gòu)成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 控制模型

要完成控制要求，必須建立相應(yīng)的控制模型。

3.1 速度同步控制模型

首先建立速度同步模型。利用同軸原理，通過轉(zhuǎn)度與線速度的關(guān)系，建立通過變頻器動(dòng)態(tài)控制各輥電機(jī)的供電頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的同步控制[3]。

輥外緣線速度和其轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：

其中：d為卷筒直徑；i為傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比；V為外緣線速度；n為轉(zhuǎn)速。

由轉(zhuǎn)速與電源頻率的關(guān)系和式(1)有：

若用各輥處的開關(guān)信號(hào)作為控制多電機(jī)同步傳動(dòng)的控制信號(hào)時(shí)，則式(2)可變成：

式中：ΔS為由輥外緣速度誤差而產(chǎn)生的位移誤差，即ΔS=S0-Sα；若相鄰兩次調(diào)頻的時(shí)間間隔為t0，則：S0表示在t0內(nèi)，輥外緣的理論線位移；Sα在t0內(nèi)，輥外緣的實(shí)際線位移。Δf1為消除速度誤差所需的電源頻率的增量，即Δf1=f0-fα，其中f0表示在t0內(nèi)，輥外緣達(dá)到理論線位移時(shí)電機(jī)的供電頻率；fα表示在t0內(nèi)，輥外緣線位移為Sα?xí)r電機(jī)的供電頻率。

當(dāng)輥外緣的線速度達(dá)理論值時(shí)，電機(jī)電源的頻率應(yīng)為fα+Δf1。

3.2 恒張力控制模型

依據(jù)造紙機(jī)控制要求，必須使網(wǎng)部、卷紙機(jī)等分部的張力要恒定，這就需要建立恒張力控制模型。

如圖3所示，為位移調(diào)整計(jì)算原理圖。由圖可知，相臨兩輥在t0內(nèi)產(chǎn)生位移差ΔL=L1-L2，通過調(diào)整張力裝置兩側(cè)任一輥電機(jī)的頻率，位移差ΔL將被消除。因此，得到頻率調(diào)整增量表達(dá)式為：

圖3 移位調(diào)整計(jì)算原理圖

其中：t0、f、V定義與前面相同。

實(shí)現(xiàn)恒張力控制時(shí)各輥電機(jī)的頻率確定如下[3]：

其中：Δf2i為消除第i段張力誤差所需的頻率增量；Δf2i'表示當(dāng)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)紙恒張力時(shí)，第i段的頻率增量。

由速度同步模型和恒張力模型可知，當(dāng)進(jìn)行速度同步控制和恒張力控制后，第i個(gè)輥電機(jī)的電源頻率為：

從上面建立的模型可知，模型的運(yùn)行參量與控制目標(biāo)具有確定的定量關(guān)系，從而避免了多電機(jī)的性能差異、輥直徑誤差、負(fù)載波動(dòng)等因素對(duì)控制的影響。

4 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

依據(jù)前面對(duì)造紙機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和控制模型，進(jìn)行造紙機(jī)控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)控制目的。

4.1 主控程序

圖4 系統(tǒng)主控程序流程

依據(jù)控制模型、控制要求和工藝特點(diǎn)，并依據(jù)實(shí)時(shí)多任務(wù)的要求，將整個(gè)系統(tǒng)的控制按照任務(wù)方式進(jìn)行劃分，主要的任務(wù)有速度鏈、張力控制、負(fù)荷分配控制、數(shù)據(jù)采集任務(wù)和數(shù)據(jù)通信任務(wù)等。每臺(tái)電機(jī)都利用嵌入式控制器給定的I/O端口進(jìn)行單獨(dú)控制，而且控制程序都采用模塊化、結(jié)構(gòu)化的相互獨(dú)立的任務(wù)方式實(shí)現(xiàn)。各個(gè)任務(wù)都按照各自的掃描周期和優(yōu)先級(jí)來確定其執(zhí)行情況，任務(wù)間通過信號(hào)量實(shí)現(xiàn)通信與同步[4]。主程序流程如圖4所示。

4.2 速度鏈設(shè)計(jì)

依據(jù)速度同步控制模型，每個(gè)輥的實(shí)際速度與邊緣位移量和初始電源頻率有關(guān)。速度鏈采用等狀態(tài)控制方式。這種方式下所有傳動(dòng)點(diǎn)的給定速度同時(shí)由控制器給出，需要調(diào)整某一傳動(dòng)點(diǎn)的速度時(shí)，只需調(diào)整該傳動(dòng)點(diǎn)給定的速度值，所以不會(huì)像主從級(jí)聯(lián)控制那樣造成傳動(dòng)點(diǎn)之間的積累誤差，從而減少了各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)之間的耦合性[5]。

4.3 恒張力控制

依據(jù)控制模型和工藝要求，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，壓光機(jī)與卷紙機(jī)間安裝張力傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)張力的控制；在引入紙頁之前為速度控制，紙頁引入之后，轉(zhuǎn)為“速度控制+張力控制”。張力傳感器將張力信號(hào)送入嵌入式控制器，由控制器經(jīng)過處理后對(duì)其進(jìn)行控制。張力控制原理如圖5所示。

圖5 張力控制原理圖

4.4 負(fù)荷分配控制

紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，需進(jìn)行負(fù)荷分配控制。采用基于轉(zhuǎn)矩控制的負(fù)荷分配控制方式實(shí)現(xiàn)控制，傳動(dòng)組控制方式如圖6所示，只需要將傳動(dòng)點(diǎn)D去掉，就可以看成是兩點(diǎn)傳動(dòng)組的控制方式，不妨以三點(diǎn)傳動(dòng)組為例進(jìn)行分析。

A、B、E傳動(dòng)點(diǎn)在速度主鏈上，變頻器采用速度控制模式。B、C和D傳動(dòng)點(diǎn)組成速度子鏈，B為主機(jī)，C、D為從機(jī)，C和D傳動(dòng)點(diǎn)的變頻器采用轉(zhuǎn)矩控制模式。B點(diǎn)的輸出轉(zhuǎn)矩T分別乘以負(fù)荷分配系數(shù)KC、KD作為C點(diǎn)和D點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩給定TC和TD，即

圖6 負(fù)荷分配原理圖

從機(jī)C、D的轉(zhuǎn)矩時(shí)刻跟隨主機(jī)B的轉(zhuǎn)矩變化，達(dá)到負(fù)荷分配控制的目的。

5 結(jié)論

本控制系統(tǒng)中，采用嵌入式控制器將造紙機(jī)所有的需要統(tǒng)一控制的連接到一起，系統(tǒng)的控制信息通過CAN總線傳遞到嵌入式控制器，并通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與操作面板連接，便于人工操作，提供了人機(jī)交互能力。而且，減少了現(xiàn)場電纜的使用量，節(jié)約了工程成本，并且提高了工程的可靠性和控制的精確度，所以本控制系統(tǒng)是一種應(yīng)用前景很好的造紙機(jī)控制技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭榮佐.基于ARM的造紙機(jī)控制器設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息.2008,24(28)：69-71.

[2]孟彥京.紙機(jī)變頻傳動(dòng)的現(xiàn)狀與技術(shù)方案分析[J].西北輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2000,18(73)：19-20.

[3]王子文,駱建華.用PLC和變頻器實(shí)現(xiàn)造紙機(jī)同步傳動(dòng)控制[J].紙和造紙,2003,(4)：36-38.

[4]陳景文,等.CAN總線協(xié)議及其在造紙機(jī)電控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].低壓電器,2006.10：35-38.

[5]惠鴻忠,等.基于PROFIBUS—DP的紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2009,31(9)：84-87.