基于Profibus-DP總線的復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

余慧娟，蔣愛麗，水 立

● （上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

基于Profibus-DP總線的復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

余慧娟，蔣愛麗，水 立

● （上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

復(fù)卷機(jī)是是造紙機(jī)械中的重要配套設(shè)備，其性能的好壞直接影響到成品紙卷的質(zhì)量，其控制功能的先進(jìn)性關(guān)系到造紙廠的生產(chǎn)能力。本文提出了一種基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)，采用新一代直流傳動(dòng)裝置 DCS500和交流傳動(dòng)裝置 ACS800對2500復(fù)卷機(jī)進(jìn)行了應(yīng)用。

恒張力控制；恒壓力控制；力矩差控制

0 引言

復(fù)卷機(jī)是造紙生產(chǎn)機(jī)械中的完成設(shè)備，通常安裝在緊接造紙機(jī)的后面，具有速度快，間歇生產(chǎn)等特性，是造紙機(jī)械中的重要配套設(shè)備，其性能的好壞直接影響到成品紙卷的質(zhì)量，控制功能的先進(jìn)性關(guān)系到造紙廠的生產(chǎn)能力。復(fù)卷機(jī)車速一般為紙機(jī)速度的2倍～3倍，引紙時(shí)，要以最高車速的1：100運(yùn)行。隨著造紙工業(yè)的發(fā)展，造紙?jiān)O(shè)備不斷往高速化方向發(fā)展，對產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量提出了更高要求，對復(fù)卷機(jī)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測的要求也越來越高。為保證在復(fù)卷過程中不斷紙、不松紙，必須保證紙幅的張力恒定；為保證成品紙內(nèi)緊外松的品質(zhì)，必須對前后底輥電機(jī)進(jìn)行負(fù)荷分配控制，并對壓紙輥進(jìn)行壓力控制。因此，復(fù)卷機(jī)對電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的性能要求是卷紙時(shí)的恒張力控制、前后底輥的力矩差控制及穩(wěn)速控制等。本文針對山東晨鳴2500紙機(jī)配套的一臺(tái)復(fù)卷機(jī)，設(shè)計(jì)了基于PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線的復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用PLC為控制核心，矢量控制變頻器為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，OP面板為人機(jī)界面。

1 系統(tǒng)組成

1.1 復(fù)卷機(jī)結(jié)構(gòu)

復(fù)卷機(jī)由放卷輥(又稱退紙輥)、導(dǎo)紙輥、縱切裝置、壓紙輥、弧形輥和卷紙底輥(包括前底輥和后底輥)等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 復(fù)卷機(jī)結(jié)構(gòu)圖

復(fù)卷機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)可以分為兩個(gè)部分，一是卷取部分;另一個(gè)是放卷部分。放卷部分有1臺(tái)放卷電機(jī)，卷取部分有2臺(tái)卷取電機(jī)，這兩組電機(jī)依靠紙幅張力聯(lián)系在一起，具體說，放卷電機(jī)的作用是提供一個(gè)反向力矩，在放卷的過程中拉緊紙。把卷取部分看為一個(gè)整體，則卷取電機(jī)用來克服放卷電機(jī)所提供的反向力矩，拉平紙幅并卷取紙卷。

1.2 技術(shù)參數(shù)

本設(shè)計(jì)中的復(fù)卷機(jī)的紙種定量：50 g/m2～120g/m2雙膠紙；紙頁張力：600 N/m～800N/m；凈紙寬度：2500mm；成品紙卷最大直徑：φ1200mm；設(shè)計(jì)車速：1800m/min；工作車速：1500m/min；引紙車速：25m/min；引紙方式：下引紙。

各傳動(dòng)點(diǎn)的電機(jī)參數(shù)如表1所示：

表1 各傳動(dòng)點(diǎn)的電機(jī)參數(shù)

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制方式

根據(jù)復(fù)卷機(jī)工藝要求，利用Profibus-DP總線組成復(fù)卷機(jī)三級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)：

1）第一級(jí)為變頻器控制級(jí)：采用ABB ACS800系列，ABB DCS500傳動(dòng)控制器，進(jìn)線按產(chǎn)品說明書配置標(biāo)準(zhǔn)配置線路，加裝進(jìn)，出線電抗器和諧波濾波器，配有組合閉環(huán)控制編碼器反饋CUVC板，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過矢量變頻器完成對前后底輥電機(jī)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配控制，控制兩電機(jī)的轉(zhuǎn)矩按設(shè)定曲線運(yùn)行，對放卷電機(jī)實(shí)現(xiàn)恒張力閉環(huán)控制。

2）第二級(jí)為PLC 控制系統(tǒng)：采用西門子公司S7315-2DP，ET200遠(yuǎn)程I/O(備有30%冗余量)與現(xiàn)場信號(hào)連接。主要完成壓紙輥壓區(qū)壓力控制和對整個(gè)復(fù)卷機(jī)的操作控制。

3）第三級(jí)為上位操作系統(tǒng)：人機(jī)界面采用OP270-10作為控制面板對整個(gè)復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行操作和監(jiān)控。

PLC與變頻器和直流控制器及OP270-10等通過ROFIBUS-DP通訊方式構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)，Profibus-DP現(xiàn)場級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳輸，解決了自動(dòng)控制系統(tǒng)（如PC、PLC等）通過高速串行總線與分散的現(xiàn)場設(shè)備（如遠(yuǎn)程I/O、變頻器、電磁閥等）之間的通信任務(wù)。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用SIEMENS S7-300型高性能CPU作為本機(jī)的核心，采用PROFIBUS-DP通訊方式，具有極強(qiáng)的運(yùn)算能力和控制能力。工作流程由PLC完成，操作及顯示功能通過OP270-10實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)控制對象主要包括放紙輥電機(jī)、前后底輥電機(jī)、縱切裝置電機(jī)、弧形輥電機(jī)、導(dǎo)紙輥電機(jī)以及壓紙輥電機(jī)，整個(gè)設(shè)備的傳動(dòng)形式為雙閉環(huán)全數(shù)字交流變頻驅(qū)動(dòng)和直流發(fā)電機(jī)制動(dòng)。

2.2.1 放紙輥?zhàn)詣?dòng)張力控制

復(fù)卷機(jī)中配置張力輥和張力傳感器，在引紙時(shí)即能建立張力，保證起卷時(shí)張力平滑過渡。在運(yùn)行過程中，通過張力的實(shí)測控制和張力間接控制，使紙張力保持恒定，同時(shí)在升速和降速過程中，加入轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償，有效保證了紙幅張力自動(dòng)控制的性能。

2.2.2 前后底輥力矩差控制

為有效保證成品紙卷的內(nèi)松外緊的一致性，在操作臺(tái)OP270-10面板上設(shè)置緊度控制，可根據(jù)各種紙的工藝要求設(shè)定不同的力矩差，通過成品紙卷直徑位移電位器的檢測，實(shí)現(xiàn)力矩差自動(dòng)控制。

2.2.3 壓紙輥壓力差控制

在氣壓操作系統(tǒng)中加入進(jìn)口電氣比例閥，通過直徑位移電位器檢測成品紙卷直徑，可設(shè)置不同曲線，控制比例閥，達(dá)到自動(dòng)控制壓力輥壓力的目的。

2.2.4 圓刀傳動(dòng)控制

1）速度跟隨后底輥

2）電流（力矩）自動(dòng)調(diào)節(jié)平衡

3）速度信號(hào)由PLC給出

2.2.5 上下弧形輥和導(dǎo)紙輥速度跟隨后底輥控制

速度跟隨后底輥且略高，速度信號(hào)由PLC給出。

2.2.6 其它控制及要求

1）前后底輥和放紙輥均具備快停功能，在操作臺(tái)和機(jī)架上二處安裝緊接停車按鈕，可通過快停按鈕快速制動(dòng)，使損失降到最小程度，緊停用于緊急故障時(shí)使用，采用能耗回饋制動(dòng)，均能立即剎車。放紙輥制動(dòng)裝置的設(shè)置，更有效保證了制動(dòng)效果。

2）放紙輥引紙時(shí)，采用現(xiàn)場控制面板正向點(diǎn)動(dòng)和反向點(diǎn)動(dòng)按鈕控制，速度用面板的電位器調(diào)節(jié)。

3）輔助所有的控制回路（包括輔助電機(jī)及液壓，氣控系統(tǒng)元件等），輔助控制回路直接接入遠(yuǎn)程I/O模塊，與PLC實(shí)現(xiàn)通訊，盡量減少了中間繼電器

4）紙張計(jì)長功能

在OP270-10操作面板上設(shè)置計(jì)長功能，紙達(dá)到設(shè)定長度自動(dòng)停機(jī)

5）斷紙后，設(shè)備自動(dòng)停機(jī)，前后底輥，放紙輥?zhàn)詣?dòng)緊急制動(dòng)。

6）機(jī)架上裝有輔助操作箱和急停按鈕。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)中按照工藝要求分為兩種工作狀態(tài)：系統(tǒng)工作狀態(tài)和引紙狀態(tài)，這兩種工作狀態(tài)的選擇可通過OP270觸摸屏上“工作/引紙”實(shí)現(xiàn)。

升降速時(shí)間：30 s～90s；

緊急制動(dòng)時(shí)間(包括前，后底輥，導(dǎo)紙輥和放紙輥)：≤10s；

傳動(dòng)精度：穩(wěn)速精度為0.01%。

當(dāng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，此時(shí)張力應(yīng)已經(jīng)建立，通過OP270上的“運(yùn)行”按鈕啟動(dòng)系統(tǒng)，線速度給定通過“速度快升”按鈕將速度升至運(yùn)行速度值，速度調(diào)整可通過“速度快降”、“速度為微升”和“速度微降”來實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)張力的給定通過“張力快升”實(shí)現(xiàn)，張力的調(diào)整由“張力快降”、“張力微升”和 “張力微降”完成。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下的實(shí)際值和工作狀態(tài)可通過OP270上的顯示屏進(jìn)線觀察。

引紙：當(dāng)系統(tǒng)工作在引紙狀態(tài)時(shí)，各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)處于速度控制方式下，此時(shí)張力為0，各傳動(dòng)可分別進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)操作，點(diǎn)動(dòng)速度在傳動(dòng)裝置內(nèi)設(shè)定；引紙時(shí)可通過“引紙”按鈕實(shí)現(xiàn)前后底輥和放紙輥以相同的速度運(yùn)行，運(yùn)行速度在傳動(dòng)裝置中設(shè)定。

4 結(jié)語

1）2500復(fù)卷機(jī)通過調(diào)試后，開車時(shí)的速度達(dá)到了1200 m/min工作車速，經(jīng)過半年后的開車跑合和參數(shù)修正，開車速度達(dá)到1500m/min的工作車速。

2）系統(tǒng)應(yīng)用變頻器豐富的軟件功能設(shè)計(jì)復(fù)卷機(jī)的恒張力和負(fù)荷分配控制系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用，提高了復(fù)卷機(jī)的車速和控制系統(tǒng)精度。友好的人機(jī)界面不僅使操作簡單，而且能動(dòng)態(tài)監(jiān)控復(fù)卷機(jī)的運(yùn)行過程。通過OP面板修改和設(shè)定工藝參數(shù)，使維護(hù)更加方便，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。

[1]李劍峰,唐文林.復(fù)卷機(jī)的傳動(dòng)控制[J].廣東造紙,1998(2):36-39.

[2]秦報(bào)國,孟彥京.復(fù)卷機(jī)交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中華紙業(yè),2004(2):59-63.

[3]孟彥京.造紙機(jī)變頻傳動(dòng)原理與設(shè)計(jì)[M].西安:陜西人民出版社,2002.

Design of Control System for Rewinding Machine Based on Profibus-DP Fieldbus

YU Hui-juan,JIANG Ai-li,SHUI Li
(Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China)

Rewinding machine is important corollary equipment for paper machine.Its performance affects the quality of the finished paper rolls directly and the progressiveness of its control function is related to the paper mill's production capacity.A control system for the rewinding machine based on PROFIBUS-DP is presented. The new generation of DC drive device DCS500 and AC drive deviceACS800 are applied in Rewinding machine 2500.

constant tension control; constant pressure control; torque difference control

TP 17

A

余慧娟（1962-），女，助理工程師。研究方向?yàn)樵旒垯C(jī)械設(shè)計(jì)。