造紙機(jī)水針精準(zhǔn)移動(dòng)控制策略分析

蘇貴寧 雷海龍 李超 張寶巖 王海洋 畢既華 孫馥明 王志文

摘要：本課題設(shè)計(jì)了一套水針移動(dòng)控制系統(tǒng)以解決造紙機(jī)網(wǎng)部用于紙機(jī)引紙和全幅定位的水針精準(zhǔn)移動(dòng)問(wèn)題。基于變速雙控制死區(qū)方法，控制水針移動(dòng)和定位;通過(guò)控制水針移動(dòng)的速度切換，配合設(shè)置雙控制死區(qū);采用水針降速的方式降低由水針移動(dòng)引起的慣性誤差，以達(dá)到精準(zhǔn)控制水針定位的目的。結(jié)果表明，采用變速雙控制死區(qū)方法，水針位移曲線(xiàn)變化平緩，最終停止時(shí)與水針設(shè)定位置的誤差為0.8%，定位更加精確;且與變速單死區(qū)系統(tǒng)相比，水針移動(dòng)反應(yīng)時(shí)間縮短，為紙機(jī)水針精準(zhǔn)位移控制提供有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：紙機(jī)水針;移動(dòng)定位;控制系統(tǒng);雙死區(qū)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TS736+.3?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? DOI：10.11980/j. issn.0254-508X.2021.12.011

Control Strategy Analysis of the Precise Movement of Paper Machine Trim Squirt

SU Guining1?? LEI Hailong2?? LI Chao3，4，*?? ZHANG Baoyan5，*?? WANG Haiyang5BI Jihua1?? SUN Fuming4，6?? WANG Zhiwen1

（1. College ofMechanical and Electrical Engineering，Heilongjiang Forestry Vocational-Technical College，Mudanjiang，HeilongjiangProvince，157000;2. Automation Branch ofMudanjiangHengfeng Paper Co.，Ltd.，Mudanjiang，Heilongjiang Province，157013;3. College ofMechanical and Electrical Engineering，Harbin Engineering University，Harbin，Heilongjiang Province，150001;4. Heilongjiang Jiajian Internet Technology Co.，Ltd.，Mudanjiang，Heilongjiang Province，157000;5. School ofMechanical Engineering，Jiamusi University，Jiamusi，Heilongjiang Province，154007;6. Machine Repair Branch ofMudanjiangHengfeng Paper Co.，Ltd.，Mudanjiang，Heilongjiang Province，157013）

（*E-mail ：54529880@qq. com;zby8904@163. com）

Abstract： A trim squirt movement control system was designed to solve the problem of precise movement of the trim squirt used for paper threading and full-width positioning in the paper machine forming section . Based on the variable speed double dead zone method，the trim squirt movement and positioning were controlled . By controlling the switch of trim squirt movement speed，the double control dead zone was set in cooperation with it. The speed of the trim squirt was decreased to reduce the inertial error caused by the movement of the trim squirt to achieve the purpose of accurately controlling the positioning of the trim squirt . The results showed that the trim squirt displacement curve changed smoothly via variable speed double dead zone control method，and the error with the trim squirt setting position was 0.8% when it was stopped，which was more accurate. Compared with variable speed single dead zone system，the trim squirt movement response time wasshortened，which provided a valuable reference for controlling the pre ? cise movement of trim squirt on the paper machine .

Key words： paper machine trim squirt;mobile positioning;control system;double dead zone control

水針系統(tǒng)是紙機(jī)上的關(guān)鍵部分[1-3]，當(dāng)紙機(jī)發(fā)生斷紙并重新引紙時(shí)，通過(guò)控制網(wǎng)部的水針橫向移動(dòng)從而控制紙幅的寬度[4]，水針由全紙幅位置移動(dòng)到引紙位置，使紙幅幅寬減小，便于現(xiàn)場(chǎng)人員將紙幅從伏輥引上卷取輥[5-6]，待現(xiàn)場(chǎng)人員引紙完成后，移動(dòng)水針由引紙位置移動(dòng)到全紙幅位置，紙機(jī)開(kāi)始正常生產(chǎn)。水針的精準(zhǔn)移動(dòng)在這個(gè)過(guò)程中起到關(guān)鍵作用，要求水針移動(dòng)迅速、定位精準(zhǔn)，但由于水針在實(shí)際移動(dòng)過(guò)程中存在慣性，水針定位存在較大偏差，水針?lè)磸?fù)調(diào)整位置，穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題，導(dǎo)致?lián)p紙量增多，生產(chǎn)效率低。

目前，大多數(shù)紙機(jī)水針移動(dòng)控制方式為：以 PLC 為控制核心，通過(guò)上位機(jī)設(shè)定的水針位置和編碼器檢測(cè)的水針實(shí)際位置相比較，通過(guò)變頻器控制速度切換，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制水針位置[7-8]。倪鋒等人[9]設(shè)計(jì)了一種造紙機(jī)水針移動(dòng)的控制系統(tǒng)，用 PLC 控制器和位置測(cè)量編碼器控制水針移動(dòng)速度，通過(guò)控制水針的速度切換，以減小水針的定位誤差，此水針移動(dòng)控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，雖然得到了較好的控制，但控制精度不高。

本課題設(shè)計(jì)了一套水針移動(dòng)控制系統(tǒng)，設(shè)置變速雙控制死區(qū)，分別為粗略控制的高死區(qū)和精確控制的低死區(qū)?？刂扑绤^(qū)是一個(gè)位移設(shè)定值，指水針實(shí)際位置與設(shè)定位置的差值。通過(guò)實(shí)際位置與設(shè)定位置的差值和控制死區(qū)設(shè)定值作比較，水針從引紙位向全幅位移動(dòng)時(shí)，若差值≤控制死區(qū)設(shè)定值，則上位機(jī)繼續(xù)輸出控制命令，使水針繼續(xù)移動(dòng);反之，則上位機(jī)停止輸出控制命令。水針從全幅位向引紙位移動(dòng)時(shí)，若差值≥控制死區(qū)設(shè)定值，則上位機(jī)繼續(xù)輸出控制命令，使水針繼續(xù)移動(dòng);反之，上位機(jī)停止輸出控制命令。針對(duì)水針精準(zhǔn)移動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)控制水針移動(dòng)的高速和低速切換，配合設(shè)置雙控制死區(qū)，采用水針降速的方式來(lái)降低由水針運(yùn)動(dòng)引起的慣性誤差，以達(dá)到精準(zhǔn)控制水針定位的目的。本系統(tǒng)可更精準(zhǔn)控制水針移動(dòng)位置，縮短水針移動(dòng)反應(yīng)時(shí)間，減少紙機(jī)引紙時(shí)的損紙量，提高紙機(jī)的生產(chǎn)效率。

1 水針系統(tǒng)組成

造紙機(jī)網(wǎng)部水針系統(tǒng)實(shí)物圖和水針結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖1和圖2所示。水針系統(tǒng)由水針?biāo)?、水針、行架、帶編碼器的移動(dòng)電機(jī)和限位開(kāi)關(guān)等設(shè)備組成。水針?biāo)脼樗樚峁└邏核?，水針可在行架上移?dòng)來(lái)得到不同幅寬的紙幅;FS 側(cè)限位為操作側(cè)限位，指水針在操作側(cè)能夠到達(dá)的極限位置;DS 側(cè)限位為傳動(dòng)側(cè)限位，指水針在傳動(dòng)側(cè)能夠到達(dá)的極限位置。圖2中，位置1、2、3為紙機(jī)不同的引紙位置，由編碼器進(jìn)行定位，水針處于不同位置的引紙位可獲取不同寬度的引紙紙幅;位置4為紙機(jī)全幅位置，引紙完成后，水針移動(dòng)到此位置。

水針控制系統(tǒng)硬件組成如圖3所示。監(jiān)控組態(tài)軟件構(gòu)成系統(tǒng)的上位機(jī)，上位機(jī)操作界面如圖4所示?？刂破鬟x用中控 ECS700控制系統(tǒng)，ECS700為大型集散控制系統(tǒng)，多用于造紙、石油、化工和制藥等行業(yè)。其具備組態(tài)完整性管理、在線(xiàn)單點(diǎn)組態(tài)下載、組態(tài)操作權(quán)限管理、查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)及操作記錄等功能[10-11]。 FCU712為 ECS700的 CPU 模塊;? AI713、 AO713、DI715、DO716分別為 ECS700的模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊;COM722為系統(tǒng) DP 通信模塊。

2 控制邏輯設(shè)計(jì)

水針系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用 ECS700系統(tǒng)的邏輯功能塊搭建，主要采取變速雙控制死區(qū)的方法控制水針移動(dòng)定位。當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，控制死區(qū)范圍為±200，即高死區(qū);當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，控制死區(qū)范圍為±30，即低死區(qū)。控制程序邏輯如下。

（1） 水針電機(jī)的啟動(dòng)與停止：水針電機(jī)起停程序邏輯，如圖5所示。圖 5中， LE 為小于等于比較模塊，程序數(shù)值始終與水針實(shí)際位置和水針設(shè)定位置相減的差值做比較，若差值≤c 引腳連接的控制高死區(qū)數(shù)值200或低死區(qū)數(shù)值30時(shí)，LE 模塊輸出1，則啟動(dòng)水針電機(jī)向 DS 側(cè)移動(dòng); GE 為大于等于比較模塊，若差值≥a 引腳連接的控制高死區(qū)數(shù)值200或低死區(qū)數(shù)值30時(shí)，GE 模塊輸出1，則啟動(dòng)水針電機(jī)并向 FS 側(cè)移動(dòng);若移動(dòng)范圍超出 FS 側(cè)限位和 DS 側(cè)限位，則水針電機(jī)停止，水針停止移動(dòng)。

（2） 水針移動(dòng)速度的選擇：水針?biāo)俣冗x擇程序邏輯圖如圖6所示，當(dāng)水針向 FS 側(cè)移動(dòng)時(shí)，水針實(shí)際位置與設(shè)定位置的差值≤1400時(shí)，則水針電機(jī)選擇低速運(yùn)行;反之，則水針電機(jī)選擇高速運(yùn)行。當(dāng)水針向 DS 側(cè)移動(dòng)時(shí)，水針實(shí)際位置與設(shè)定位置差值>1400時(shí)，水針電機(jī)選擇低速運(yùn)行;反之，則水針電機(jī)選擇高速運(yùn)行。

（3） 控制死區(qū)的選擇：控制死區(qū)選擇程序邏輯圖如圖7所示，水針開(kāi)始高速移動(dòng)時(shí)設(shè)定為高死區(qū)，當(dāng)水針?biāo)俣葟母咚僮優(yōu)榈退俚臅r(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，此后設(shè)置25 s 延時(shí)，即 25 s 期間均為高死區(qū)，25 s 結(jié)束后，控制程序從高死區(qū)自動(dòng)變?yōu)榈退绤^(qū)，具體過(guò)程見(jiàn)圖7。

3 控制結(jié)果與分析

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，采用本課題設(shè)計(jì)的系統(tǒng)變速雙控制死區(qū)方法控制水針移動(dòng)定位，以斷紙后水針從 DS 側(cè)向 FS 側(cè)移動(dòng)為例，即生產(chǎn)斷紙后，水針由全幅位置移動(dòng)到引紙位置的移動(dòng)過(guò)程可參見(jiàn)圖8，水針移動(dòng)過(guò)程具體分析如下。

（1） 生產(chǎn)斷紙后，系統(tǒng)接收到斷紙信號(hào)，水針設(shè)定位置自動(dòng)變?yōu)?S2，實(shí)際位置 S ，水針實(shí)際位置與設(shè)定位置差值>200，水針電機(jī)啟動(dòng)，水針開(kāi)始向 FS 側(cè)移動(dòng);水針實(shí)際位置與設(shè)定位置差值>1400，水針?biāo)俣葹楦咚龠\(yùn)行，速度由變頻器設(shè)定為50%，控制高死區(qū)為200。

（2） 水針繼續(xù)向 FS 側(cè)移動(dòng)，當(dāng)水針實(shí)際位置與設(shè)定位置差值≤1400，水針?biāo)俣茸優(yōu)榈退龠\(yùn)行，速度由變頻器設(shè)定為6%。由圖7控制死區(qū)選擇程序邏輯可知，此刻開(kāi)始計(jì)時(shí)延時(shí)25 s。

（3） 25 s 延時(shí)期間，控制死區(qū)依然是高死區(qū)200，水針繼續(xù)向 FS 側(cè)移動(dòng)，當(dāng)水針實(shí)際位置與設(shè)定位置差值<控制高死區(qū)200，水針移動(dòng)電機(jī)停止工作，水針由于慣性繼續(xù)向 FS 側(cè)移動(dòng)。

（4） 延時(shí)25 s 過(guò)后，控制死區(qū)由高死區(qū)200轉(zhuǎn)換為低死區(qū)30，水針實(shí)際位置與設(shè)定位置差值>低控制死區(qū)30，水針移動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)通過(guò)低速移動(dòng)進(jìn)行位置調(diào)整。

（5） 經(jīng)過(guò)調(diào)整后，水針移動(dòng)電機(jī)停止工作時(shí)，水針實(shí)際停在744 mm 位置。

綜上所述，水針由全幅位置向引紙位置移動(dòng)過(guò)程中，水針起初移動(dòng)時(shí)，為高速高死區(qū);當(dāng)水針移動(dòng)到臨界點(diǎn)時(shí)，即 S-S2=1400，S=2150處，水針移動(dòng)速度從高速轉(zhuǎn)變?yōu)榈退?，同時(shí)開(kāi)始25 s 計(jì)時(shí)，25 s 期間均為高死區(qū);當(dāng)水針移動(dòng)到高死區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，電機(jī)停止工作，由于水針移動(dòng)慣性作用，水針仍會(huì)繼續(xù)移動(dòng)一段距離;25 s 延時(shí)結(jié)束后，水針控制從高速高死區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榈退俚退绤^(qū)，控制程序用水針降速的方式來(lái)降低由水針運(yùn)動(dòng)引起的慣性誤差。通過(guò)本課題的變速雙死區(qū)方法與之前變速單死區(qū)方法比較，并繪制水針位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖9所示。

由圖9可知，首先，在本課題的變速雙死區(qū)控制方法下，從40 s 后，水針位移曲線(xiàn)逐漸平緩接近設(shè)定值750 mm ，在55 s 時(shí)水針位移停在744 mm 位置，且位置保持穩(wěn)定不變，水針位移誤差為0.8%，使水針移動(dòng)更精準(zhǔn)。其次，在以往變速單死區(qū)的控制方法下，時(shí)間經(jīng)過(guò)40 s 后，水針位移在接近設(shè)定位置750時(shí)，出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，水針位移曲線(xiàn)出現(xiàn)波動(dòng)，波谷最大誤差約為12%，隨著時(shí)間的推移，位移波動(dòng)曲線(xiàn)最終在80 s 后趨于收斂，水針到達(dá)設(shè)定位置時(shí)反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)比變速單死區(qū)系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)，本課題采用變速雙控制死區(qū)避免了水針位移的超調(diào)現(xiàn)象，縮短了水針?lè)磻?yīng)時(shí)間。

4 結(jié)論

本課題針對(duì)紙機(jī)網(wǎng)部用于引紙和全幅定位的水針精準(zhǔn)移動(dòng)問(wèn)題，設(shè)計(jì)一套水針移動(dòng)控制系統(tǒng)?；谧兯匐p控制死區(qū)方法控制水針移動(dòng)定位，通過(guò)控制水針移動(dòng)高速和低速切換，配合設(shè)置雙控制死區(qū)，采用水針降速的方式來(lái)降低由水針運(yùn)動(dòng)引起的慣性誤差以達(dá)到精準(zhǔn)控制水針定位的目的。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，采用該方法控制的水針最終位置與水針設(shè)定位置的誤差為0.8%，定位更加精準(zhǔn)，相對(duì)變速單死區(qū)系統(tǒng)，穩(wěn)定時(shí)間更短。從而減少了紙機(jī)引紙過(guò)程的損紙量，提高了生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳建云，苗飛，鐘林機(jī)，等.三疊長(zhǎng)網(wǎng)紙板機(jī)切邊水針系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)踐[C ]//中國(guó)造紙學(xué)會(huì)第十八屆學(xué)術(shù)年會(huì).南寧：中國(guó)造紙學(xué)會(huì)，2018：396-399.

CHEN J Y，MIAO F，ZHONG L J，et al. Trimble Fourdrinier Paper?board Machine Trimming Water Needle System Optimization Practice [ C ]//the 18th Annual Academic Conference of China Technical Asso? ciation of Paper Industry. Nanning：China Technical Association of Paper Industry，2018：396-399.

[2] 李羊.對(duì)紙機(jī)網(wǎng)部切邊水針安裝的要求[J].國(guó)際造紙，2005（1）：7-9.

LI Y. Requirements for the installation of Trimming Jets in the Wire Section of the Paper Machine[J]. World Pulp and Paper，2005（1）：7-9.

[3] 孫來(lái)鴻，張輝，張繼權(quán)，等.噴淋裝置在紙機(jī)上的應(yīng)用與用水節(jié)水措施[J].中國(guó)造紙，2006，25（9）：45-50.

SUN L H，ZHANG H，ZHANG J Q，et al. Application of Spray De ? vice on Paper Machine and Water Saving Measures[J]. China Pulp & Paper，2006，25（9）：45-50.

[4] 楊福成，彭金平，谷南夫.造紙機(jī)噴淋器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].中國(guó)造紙，1999，18（4）：50-58.

YANG F C，PENG J P，GU N F. Design and Application of Sprin? kler? in? Paper? Machine [J]. China? Pulp & Paper ，1999，18（4）：50-58.

[5] 傅曉.紙機(jī)引紙系統(tǒng)優(yōu)化[J].中國(guó)造紙，2010，29（6）：71-74.

FU X. Optimization of Paper Machine Threading System[J]. China Pulp & Paper，2010，29（6）：71-74.

[6] 祁紅影.水針式切邊裝置在干紙頁(yè)的應(yīng)用[J].造紙科學(xué)與技術(shù)，2008，27（6）：155-156.

QI H Y. Application of water jet type trimming device in dry paper sheets[J]. Paper Science and Technology，2008，27（6）：155-156.

[7] 湯偉，王孟效，李明輝，等.流漿箱先進(jìn)控制策略及解耦控制算法[J].中國(guó)造紙學(xué)報(bào)，2006，21（1）：108-114.

TANG W，WANG M X，LI M H，et al. Advanced Control Strategy and Decoupling Control Algorithm of Headbox [J]. Transactions of China Pulp and Paper，2006，21（1）：108-114.

[8] 單文娟，湯偉，劉炳.紙張橫幅定量多變量解耦控制策略研究[J].中國(guó)造紙學(xué)報(bào)，2018，33（2）：44-50.

SHAN W J，TANG W，LIU B. Research on Quantitative Multivari ? able Decoupling Control Strategy of Paper Banner [J]. Transactions of China Pulp and Paper，2018，33（2）：44-50.

[9] 倪鋒，曹旭.造紙機(jī)水針移動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中華紙業(yè)，2018，39（4）：70-71.

NI F，CAO X. Design of Water Needle Movement Control System of Paper Machine[J]. China Pulp and Paper Industry，2018，39（4）：70-71.

[10]? 雷海龍，李超. ECS700順序控制及其在造紙生產(chǎn)助劑系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中華紙業(yè)，2020，41（16）：47-49.

LEI H L，LI C. ECS700 sequence control and its application in pa? per production auxiliary system[J]. China Pulp and Paper Indus? try，2020，41（16）：47-49.

[11]? 洪丁健，雷海龍. ECS700PID 控制回路在紙機(jī)上的應(yīng)用[J].黑龍江造紙，2019，47（2）：29-32.

HONG D J，LEI H L. Application of ECS700PID control loop in pa? per machine[J]. Heilongjiang Pulp & Paper，2019，47（2）：29-32. CPP

（責(zé)任編輯：董鳳霞）