基于總線的特寬幅熱定型機控制策略及其關鍵技術

張 巖，楊 濤

（天津工業(yè)大學 機械工程學院，天津 300387）

0 引言

造紙網熱定型機是專門給編織好的聚酯網進行加熱定型，消除內應力的設備?，F(xiàn)在國內聚酯網生產廠家中使用的熱定型機多為西安航空動力股份有限公司研發(fā)的，但是隨著科技的進步出現(xiàn)了自動化水平低，維修困難等問題；也有一些生產廠家與國外的設備制造商，如挪威的PRO公司和AG公司等進行合作研發(fā)熱定型機，但造價昂貴，維修不便。本文設計了一種特寬幅熱定型機的電氣控制系統(tǒng)并對其中的關鍵技術進行了研究，旨在提高熱定型后聚酯網的質量和精度，提高生產的自動化、智能化程度。

1 特寬幅熱定型機的結構特點及其工藝

圖1所示為特寬幅熱定型機的結構示意圖，由于需要進行熱定型的聚酯網尺寸較大，因此特寬幅熱定型機的結構尺寸也較大（整個定型機寬為15米），且活動范圍很廣（拉伸架極限位置時定型機總長可達50米），這也就使得控制系統(tǒng)中的被控對象極多并且分布零散。

在研究其他現(xiàn)有設備的基礎上結合特寬幅熱定型機的結構特點可以得出主要的控制難點如下：

1) 被控對象相距較遠，過于分散，種類繁多（包括直流電機、交流電機、液壓缸、加熱棒等），配線復雜；

圖1 特寬幅熱定型機結構示意圖

2) 張力的變動不僅是受到拉伸和拉幅速度的影響，還同時受拉伸架位移差的影響；

3) 如何保證15米寬的熱風箱內溫度恒定；

從而得出影響熱定型效果的因素即需要控制的參數：

1) 拉伸速度。要求整個拉伸過程中的速度是恒定可調的，由于有兩個拉伸架帶動從動輥進行拉伸運動，為避免出現(xiàn)紋路拉斜的現(xiàn)象，還要要保證兩個拉伸架的位移差在工藝范圍之內，不能出現(xiàn)較大偏差；

2) 聚酯網內部張力。熱定型中要對聚酯網進行拉伸和拉幅，但在拉伸和拉幅中要保證聚酯網內部的張力為預設值，不能出現(xiàn)大幅度的波動；

3) 定型溫度。在整個定型過程中，要保證風箱中的溫度恒定，并且定型溫度要與定型時間、拉伸速度相配合，以達到最佳定型效果；

圖2 離散控制系統(tǒng)整體框架

2 離散控制系統(tǒng)

根據特寬幅熱定型機的技術難點和工藝要求，本文在整體上設計了一種基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的離散控制系統(tǒng)，對現(xiàn)場中的各個部分進行離散控制。

如圖2所示，將整個控制系統(tǒng)分成以下幾個部分：

1) 現(xiàn)場監(jiān)控層：主要進行人機交互，包括對加工中的參數進行設置，現(xiàn)場狀況的實時監(jiān)控，報警處理等。

2) 集中控制層：采用西門子S7-300系列PLC做主站即控制中心，對各個從站反饋的數據進行運算處理，再將控制信號經過PROFIBUS現(xiàn)場總線傳輸到各個分站，完成對現(xiàn)場的遠程集中控制。

3) 現(xiàn)場控制層：在各個主要被控元件處設置分站，進行反饋信號的采集和上傳，接收PLC發(fā)送來的控制信號，并對執(zhí)行元件進行控制。

4) 執(zhí)行元件層：主要包括各個直流電機、循環(huán)風機以及加熱棒等。

在現(xiàn)場控制層中，根據被控變量的不同又可分成下三部分：

1) 同步控制：在前后拉伸架分別設置分站，每個分站由西門子6RA70系列直流調速器、直流電機、編碼器以及其他電器元件組成。主要調整兩臺拉伸電機的轉速，對聚酯網進行拉伸，同時保證兩臺電機轉速同步，減少位移差；

2) 張力控制：張力主要是由拉伸架移動、拉幅器運動產生的，因此在前后拉伸和前后拉幅的相對位置分別設置分站（拉伸分站與同步控制中的合并）并安裝張力傳感器，進行張力反饋，以保證在進行拉伸、拉幅工作時聚酯網內的張力保持恒定。

3) 溫度控制：在熱風機處設置分站，通過熱電偶進行溫度檢測反饋給PLC，PLC控制可控硅的通斷來控制加熱功率，以及是否從外界吸入冷空氣降溫，保持熱風箱內的熱空氣溫度恒定。

在現(xiàn)場中還有其他一些零散的需要控制的變量，如主動輥的轉速等，由于并不需要進行精密的控制，只需要進行簡單的通斷或設置即可，所以不作為本文中的主要內容，不再贅述。

3 同步控制

如圖3拉伸示意圖中（a）、（b）所示，在拉伸過程中，若兩個拉伸架在運動過程中出現(xiàn)了較大的相對位移差，使得聚酯網紋路被拉斜，內應力發(fā)生變化，張力也一起變化，從而降低了定型后聚酯網的使用性能和使用壽命，在實際生產中是要避免的。

針對這一難點本文中采用了一種位置跟隨控制系統(tǒng)，對前后兩臺拉伸電機進行轉速的同步控制，控制流程如圖5所示。

圖3 拉伸示意圖

圖4 位置跟隨控制系統(tǒng)流程圖

1) 將前拉伸電機作為主命令電機，后拉伸電機作為位置跟隨電機；

2) PLC發(fā)送速度信號給主命令電機的直流調速器，主命令電機開始轉動；

3) 將兩臺直流電機各自編碼器的位置信號反饋給PLC，計算出位移差；

4) 由位移差查詢PLC中預先存好的數據表，從表中得出位置跟隨電機的速度信號；

5) 將對應的速度信號發(fā)送給位置跟隨電機的直流調速器；

6) 重新計算位移差，查表，調速，直到拉伸架位移差在工藝要求范圍內。

在控制系統(tǒng)中需要預先在PLC內部建立位移差和速度信號對應的數據表，根據位移差的大小劃分區(qū)間，劃分的越詳細，則控制精度越高，實現(xiàn)變增益控制。

4 張力控制

在聚酯網的熱定型過程中，需要對加熱的聚酯網進行拉伸和拉幅成型，要求在這一過程中聚酯網內部的張力能夠保持為設定值。

張力的控制實質上是對拉伸拉幅電機進行速度控制，本文中采用一種以張力檢測器為反饋元件的閉環(huán)控制系統(tǒng)來進行速度控制，流程如圖6所示。

圖5 張力閉環(huán)控制示意圖

在實際生產中，張力的變動不僅是由于拉伸拉幅運動，如果在拉伸的同時出現(xiàn)了紋路拉斜的現(xiàn)象，聚酯網內部的張力也會發(fā)生變動，因此前后拉伸電機的轉速是否同步也是張力控制中的一部分，即張力控制中耦合了同步控制。

張力的調整過程如圖7所示。

1) 整個熱定型中張力實時監(jiān)測；

2) 張力出現(xiàn)波動時先進行對前后拉伸電機的轉速進行同步，消除拉斜的現(xiàn)象；

3) 在轉速同步的前提下，若張力仍不等于預設值，則對拉伸和拉幅電機進行調速；

4) 循環(huán)進行直到張力等于預設值且恒定。

圖6 張力調整過程

5 溫度控制

特寬幅熱定型機采用了循環(huán)熱空氣對流的加熱方式，將熱空氣通入上熱風箱，穿過聚酯網進入下風箱，經回風管道回到加熱爐經過加熱后循環(huán)利用。 因此檢測抽吸回來的空氣溫度，對加熱的溫度進行調節(jié)，即可保證整個熱風箱中的溫度是恒定的，得到最佳定型效果。

圖7 溫度閉環(huán)控制示意圖

圖7所示為溫度控制流程，將整個回風管道分成若干區(qū)域，用熱電偶檢測每個區(qū)域中抽吸回來空氣的溫度，作為反饋信號傳輸給PLC，PLC中進行運算處理，控制各個可控硅的通斷，調整工作的加熱棒數量，以及是否需要吸入外界冷空氣進行降溫，從而使整個風箱中溫度恒定可調。

6 結束語

本文針對特寬幅熱定型機的結構特點及技術難點，設計了一種基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的主從站式離散控制系統(tǒng)，解決了工業(yè)現(xiàn)場中配線復雜，長距離數據傳輸等問題。對同步控制采用了變增益的位置跟隨控制系統(tǒng)進行轉速同步，在張力的調整過程中耦合了對轉速的同步控制，更好的進行張力控制，對于溫度控制采用了以熱電偶為反饋元件的閉環(huán)控制系統(tǒng)，保證整個熱定型過程中的溫度是恒定的，提高了生產出的聚酯網的精度和質量，同時也提高了生產的自動化和智能化水平。

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