基于S7-300的多疊網(wǎng)流漿箱控制系統(tǒng)設計

李金文，王春艷

LI Jin-wen,WANG Chun-yan

（承德石油高等?？茖W校，承德 067000）

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，瓦楞紙等包裝紙的需求量不斷增大，多疊網(wǎng)流漿箱也隨之在紙機中得到廣泛的應用。較單疊網(wǎng)相比多疊網(wǎng)流漿箱工藝要復雜的多，由于控制的點數(shù)較多，因而多疊網(wǎng)流漿箱控制系統(tǒng)的設計相對難度較大。本文采用西門子S7-300作為控制器，MPI網(wǎng)絡進行通信，完成了多疊網(wǎng)流漿箱控制系統(tǒng)的設計。

1 流漿箱的作用和工作過程

流漿箱是抄紙過程中的重要設備，是連接漿料制備和紙頁成形的關鍵部分，其作用就是產(chǎn)生穩(wěn)定的上網(wǎng)漿流，保證紙張均勻度的特性，被稱為造紙設備的“心臟”[1]。氣墊式流漿箱結構如圖1所示。其工作過程是由沖漿泵將漿流送入流漿箱內部，經(jīng)喉輥和堰輥勻整后，在氣墊的壓力和自身的靜壓作用下從堰口噴至網(wǎng)布，是一個不斷地送漿、勻漿和噴漿的過程。

圖1 氣墊式流漿箱結構圖

在生產(chǎn)的過程中進氣量一般通羅茨風機進行調節(jié)，進漿量一般通過沖漿泵進行調節(jié)?？倝海鈮|的壓力與漿位的靜壓之和）對噴漿的速度影響較大。一般在生產(chǎn)過程中車速對應的總壓可以通過“車速—總壓”表來獲取經(jīng)驗參數(shù)，在控制的過程中主要的控制參數(shù)是總壓、液位、和漿網(wǎng)速比?？刂频闹饕繕司褪且€(wěn)定總壓和漿位?？刂瓶倝旱哪康氖菫榱双@得穩(wěn)定的上網(wǎng)漿流保證紙頁的成形質量，控制漿位是保證流漿箱內漿料的充分的勻整，防止紙漿發(fā)生絮聚。

2 系統(tǒng)設計要求及分析

多疊網(wǎng)流漿箱控制系統(tǒng)的設計要求主要有以下五點：

1）系統(tǒng)能夠按照工藝的要求對三疊網(wǎng)或三疊網(wǎng)以上流漿箱進行精確的控制，同時能夠穩(wěn)定總壓和漿位。

2）能夠實現(xiàn)按照工藝和生產(chǎn)的實際要求選擇控制，如要求僅任意多個流漿箱進行工作，其余流漿箱處于停止狀態(tài)。

3）從堰口噴出的漿流速度應能夠跟隨車速的變化自動調節(jié)，即總壓應自動跟隨網(wǎng)速。

4）人機界面友好，易于操作，能夠完成參數(shù)設置、數(shù)據(jù)的監(jiān)控和交流及生產(chǎn)的統(tǒng)計工作。

流漿箱的數(shù)學模型是一個雙輸入雙輸出系統(tǒng)，輸入的是壓縮空氣和漿流，而輸出的是流漿箱的總壓和漿位，它們之間存在著一定的耦合關系，從理論上講神經(jīng)元、模糊控制和仿人工智能控制方法等都能對其進行解耦控制，但這幾類方法的硬件實施都普遍價格昂貴。由于漿位的微小變化對控制的影響不大，可以允許在一定的范圍內波動。因此在工程上大多基于靜態(tài)解耦的辦法來進行控制，采用成熟可靠PID算法，控制方法如圖2所示。在單疊網(wǎng)流漿箱控制中，普遍采用西門子S7-200作為控制器。在多疊網(wǎng)流漿箱控制系統(tǒng)設計中，S7-200很難滿足控制要求。以三疊網(wǎng)為例， PID回路至少需要9條，而西門子S7-200系列最大能提供8條PID回路[2]，因此不符合應用的要求；而且S7-200提供的模擬量輸入模塊的點數(shù)較少，雖然可以進行擴展，但是CPU的承受能力也是有限的。而S7-300的系統(tǒng)功能塊FB41

提供的PID回路條數(shù)完全能夠滿足控制的要求，且S7-300的模擬量輸入的點數(shù)較多，如單個模擬量輸入模塊SM331的模擬輸入通道是8個，因此在設計中以S7-300作為控制器。

圖2 流漿箱的控制方法

多疊網(wǎng)流漿箱控制系統(tǒng)，分為進漿量調節(jié)系統(tǒng)和進氣量調節(jié)系統(tǒng)，對進漿量調節(jié)系統(tǒng)而言，是根據(jù)總壓的大小調節(jié)漿泵對應的變頻器，實現(xiàn)對漿泵的轉速調節(jié)，從而實現(xiàn)漿料的調節(jié)：總壓降低則上漿量增加，總壓升高則上漿量減少。進氣調節(jié)系統(tǒng)是根據(jù)漿位的高低調節(jié)羅茨風機對應的變頻器，實現(xiàn)對羅茨風機的轉速調節(jié)：漿位升高則增加進氣量，漿位降低則減少進氣量。

為了避免誤操作造成事故的發(fā)生，多疊網(wǎng)流漿箱選擇控制功能不在控制界面中實現(xiàn)，而是選擇在控制柜中由硬件實現(xiàn)。在DO模塊的輸出中加上切換開關，如果使用某個流漿箱就合上對應的開關，否則斷開對應的開關。

根據(jù)流漿箱的工作過程一般網(wǎng)速與總壓有如下關系：

其中P—總壓，單位kPa；

as—漿網(wǎng)速比,是介于0.9～1.0之間的一個常數(shù)；

V—網(wǎng)速，單位km/s；

g—重力加速度常數(shù)，單位是km/s2；

c—摩擦力損失系數(shù)。

根據(jù)此公式可以提出總壓跟隨網(wǎng)速的相關算法。

3 控制系統(tǒng)的配置及注意事項

3.1 控制系統(tǒng)的配置

電源模塊為CPU提供+24V工作電壓，數(shù)字量的反饋信號進入數(shù)字量輸入模塊，經(jīng)程序判斷通過數(shù)字量輸出模塊啟動現(xiàn)場變頻器。來自現(xiàn)場的壓力、漿位、底網(wǎng)輥的模擬量信號進入模擬量輸入模塊SM331經(jīng)過程序進行限幅、濾波及數(shù)據(jù)轉化最后送入各自的PID回路，經(jīng)過相應的PID運算由模擬量輸出模塊SM332傳送到對應的變頻器。其中各個模塊在機架上的安裝順序如表1所示，型號如表2所示。

表1 模塊在機架上的安裝順序

表2 三疊網(wǎng)流漿箱的型號

控制系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖3所示。

圖3 硬件組態(tài)圖

3.2 注意事項

流漿箱的壓力、液位變送器在安裝時分別安裝在流漿箱的傳動側和觀察側。由于兩種變送器都屬于兩線制電流輸出，現(xiàn)場安裝時必須注意對SM331的量程卡進行設置，將通道設置為兩線制電流。

因為現(xiàn)場的信號干擾嚴重，由變送器輸出的信號必須使用質量較好的屏蔽線，同時必須單獨接地。在控制柜中布線時，信號線與電源必須隔離以保證信號的質量。

由于造紙現(xiàn)場環(huán)境的惡劣，沖漿泵和羅茨風機的調速變頻器選用ABB公司的ACS800和ACS550，勻漿輥的調速變頻器選用ACS150。

4 通信與上位機控制

由DELL工控機、CP5611及電纜組成的MPI[3]通信網(wǎng)絡如圖4所示。

圖4 MPI通信網(wǎng)絡

該網(wǎng)絡的默認傳輸速率為187.5bit/s，工控機與控制柜之間的最大距離為50m,添加中繼器可使最大傳輸距離達到1000m[4]。該網(wǎng)絡中WinCC直接讀取CP5611(MPI卡)中的數(shù)據(jù)，不需要再增加任何輔助的中間軟件，結構簡單且硬件投入較少。WinCC組態(tài)軟件所作人機控制界面，主控界面如圖5所示，主控界面可以實現(xiàn)現(xiàn)場信號的實時監(jiān)控和控制曲線的顯示，并能夠顯示現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)，同時監(jiān)控到不同流漿箱對應的網(wǎng)速狀態(tài)。

參數(shù)設定界面如圖6所示，可以對總壓、漿網(wǎng)速比等進行設定，同時能夠參照漿網(wǎng)速比為0.95時的車速-總壓表參考數(shù)據(jù)進行參數(shù)設定，并可以對漿位和壓力的物理值進行適當?shù)难a償。

圖5 多疊網(wǎng)流漿箱控制系統(tǒng)的監(jiān)控畫面

圖6 多疊網(wǎng)流漿箱參數(shù)設定界面

5 結束語

本文在理論與工程實踐的結合基礎上，基于西門子S7-300PLC組成了一個多疊網(wǎng)流漿箱控制系統(tǒng)，在多個廠家的不同型號的流漿箱上投入使用，獲得良好的控制效果。經(jīng)過多次工程實踐證實該系統(tǒng)具有較高的控制精度：總壓控制精度在±0.5%內，漿位控制精度2.0mm～1.2mm 范圍內。

[1]李茜,陳偉.氣墊式流漿箱控制方案仿真研究[J].化工自動化及儀表,2009,36(6):21-24.

[2]陳忠平,周少華,侯寶玉,李銳敏.西門子S7-200系列PLC[M].人民郵電出版社,2008.

[3]Siemens AG.S7-300產(chǎn)品目錄,2006.

[4]廖常初.S7-300/400PLC[M].機械工業(yè)出版社,2008.