造紙復(fù)卷機(jī)自動(dòng)化控制與應(yīng)用

陳聲海

摘 要：介紹了福建南平南紙有限責(zé)任公司6#紙機(jī)復(fù)卷機(jī)PLC、逆變器和張力傳感器等自動(dòng)化產(chǎn)品之間的高精度配置控制系統(tǒng)，以及退紙張力和復(fù)卷力的控制功能。

關(guān)鍵詞：SINAMICS S120逆變器；張力傳感器；PLC；張力控制

中圖分類號(hào)：TS736+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2018.01.007

Automatic Control System and Its Application in Paper Rewinder

CHEN Shenghai

（Fujian Nanping Paper Co.，Ltd.，Nanping，F(xiàn)ujian Province， 353000）

（Email：menghaigz@163.com）

Abstract：The paper introduced the high precision configuration control system of paper rewinding machine， PLC， inverter and tension sensor， and the control functions of unwinding tension and rewinding force.

Key words：SINAMICS S120 inverter；tension sensor；PLC；tension control

1 復(fù)卷機(jī)簡(jiǎn)介

福建省南平南紙有限責(zé)任公司自1958年成立至今有近60年歷史，一直致力于造紙行業(yè)。目前淘汰落后產(chǎn)能后，剩余6#紙機(jī)產(chǎn)能大約18 萬(wàn)t/a，6#紙機(jī)是2008年引進(jìn)的芬蘭美卓紙機(jī)，年產(chǎn)18 萬(wàn)t高檔文化紙。復(fù)卷機(jī)引進(jìn)的是QUATTROLL公司的產(chǎn)品，主要由退紙部、切紙部、復(fù)卷部和卸紙部組成（如圖1所示），復(fù)卷機(jī)最高車速2800 m/min，最大母卷寬度5340 mm；控制系統(tǒng)由西門子SIMATIC S7400、SINAMICS S120逆變器等組成。

2 工藝流程

復(fù)卷運(yùn)行分3個(gè)過(guò)程：①紙幅的舒展，紙幅經(jīng)過(guò)退紙輥、舒展輥和導(dǎo)輥完成舒展。②紙幅的縱切，紙幅經(jīng)過(guò)圓刀、弧形輥和張力輥完成縱切。③把縱切的紙幅復(fù)卷成所需要的成品紙卷，紙幅經(jīng)過(guò)前后底輥和壓紙輥完成。3個(gè)過(guò)程是同時(shí)發(fā)生的，之間的關(guān)系密切。紙幅運(yùn)行過(guò)程如圖2所示。

為了控制好復(fù)卷時(shí)紙幅的舒展和復(fù)卷，必須要精確地設(shè)定張力值，如果張力控制不好會(huì)引起紙幅波動(dòng)、發(fā)生斷紙、端面不平和紙卷緊度松弛的質(zhì)量問(wèn)題；而紙卷緊度又受張力、扭矩和壓紙輥壓力影響。所以在運(yùn)行中，操作人員需要監(jiān)控紙幅的舒展、縱切和復(fù)卷，根據(jù)紙幅在復(fù)卷過(guò)程中的變化，可以適當(dāng)改變運(yùn)行參數(shù)。

3 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

主要技術(shù)參數(shù)：

復(fù)卷機(jī)設(shè)計(jì)車速2800 m/min；工作車速2600 m/min；最大設(shè)計(jì)張力850 N/m；交流傳動(dòng)供電690/400VAC；MCC供電400VAC；PLC控制系統(tǒng)供電230VAC。

復(fù)卷機(jī)自動(dòng)化基于SIEMENS S7400和遠(yuǎn)程分布I/O（ET200S），CPU是S74162帶EEPROM記憶卡控制系統(tǒng)，通信靠SIEMENS PROFIBUS來(lái)完成，連接到許多傳感器和編碼器等自動(dòng)化儀器儀表?，F(xiàn)場(chǎng)操作由觸摸屏SIEMENS PC577和后臺(tái)PC端Wincc軟件分別控制，S7400控制系統(tǒng)如圖3所示。傳動(dòng)變頻系統(tǒng)采用SIEMENS SINAMICS S120，復(fù)卷機(jī)與包裝車間通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。傳動(dòng)點(diǎn)共有5個(gè)，分別是退紙輥、縱切刀、前底輥、后底輥以及壓紙輥傳動(dòng)電機(jī)組成。

復(fù)卷機(jī)自動(dòng)處理所有的設(shè)定點(diǎn)、爬行、測(cè)量和控制。操作人員還可以設(shè)定以下參數(shù)到復(fù)卷機(jī)中：速度、張力、牽引力和減速時(shí)間。紙幅張力可從 WinCC 幾個(gè)畫面上調(diào)整，也可在卸紙臺(tái)旁的就地操作臺(tái)上調(diào)整；張力以數(shù)字、趨向和柱條值顯示（如圖4所示）。

復(fù)卷機(jī)的控制通過(guò)幅寬、定量、緊度以及壓紙輥壓力曲線和自動(dòng)停車模式來(lái)操作；交流傳動(dòng)的電機(jī)荷載和速度狀態(tài)也將數(shù)字和時(shí)間曲線顯示出來(lái)（包括碎漿機(jī)狀態(tài)，如啟動(dòng)、運(yùn)行、停止等）。電機(jī)啟?？刂飘嬅嫒鐖D5所示。

4 張力控制

4.1 張力控制系統(tǒng)

復(fù)卷機(jī)張力分為退紙張力和復(fù)卷張力，二者通過(guò)退紙輥與前后輥之間的轉(zhuǎn)矩速度產(chǎn)生（如圖6所示）。轉(zhuǎn)矩由ABB張力傳感器（見圖7，張力傳感器安裝在縱切后的第二根輥梁下）測(cè)量得到后，測(cè)量信號(hào)直接傳到ABB PFEA113張力控制器（如圖8所示），再把信號(hào)送到 PLC S7400 顯示和計(jì)算，然后通過(guò)PROFIBUS總線送到 SINAMICS S120逆變器執(zhí)行。逆變器如圖9所示。

4.2 張力的形成

退紙輥電機(jī)處于張力控制狀態(tài)時(shí)， 紙幅張力設(shè)定值由復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)傳給傳動(dòng)系統(tǒng)；而張力實(shí)際值由安裝在縱切部位置的張力測(cè)量輥上的張力傳感器測(cè)量，其測(cè)量值經(jīng)過(guò)張力放大器處理后傳給傳動(dòng)系統(tǒng)的CPU進(jìn)行運(yùn)算（如圖10所示），在運(yùn)行中通過(guò)不斷地比較張力設(shè)定值和實(shí)際值間的偏差，采用張力閉環(huán)PID調(diào)節(jié)控制，計(jì)算出張力調(diào)節(jié)器的輸出值。將結(jié)果通過(guò)PROFIBUS總線送給退紙輥電機(jī)變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出扭矩（如圖11所示），以確保整個(gè)復(fù)卷過(guò)程中恒定的紙幅張力，實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)卷張力曲線趨勢(shì)如圖12所示。從圖12可以看出，在升速和降速過(guò)程中，張力實(shí)際值和設(shè)定值相比有一定的偏離，這是因?yàn)樵诖诉^(guò)程中母卷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦力的變化所致。在實(shí)際的復(fù)卷過(guò)程中，張力受紙幅直徑、密度、寬度、母卷變形情況等工藝因素的影響，所以，確保復(fù)卷機(jī)自控系統(tǒng)將這些參數(shù)準(zhǔn)確地傳遞給傳動(dòng)系統(tǒng)很重要。

張力PID控制執(zhí)行的是PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，是通過(guò)速度、直徑和實(shí)際測(cè)量的張力來(lái)調(diào)節(jié)PID控制調(diào)節(jié)器輸出的。正常復(fù)卷中速度和直徑在不斷變化，如果速度和直徑不加以補(bǔ)償，將會(huì)出現(xiàn)加速過(guò)程中張力偏小，減速過(guò)程中張力偏大。在圖13中看出，速度變化補(bǔ)償值、直徑變化補(bǔ)償值和張力測(cè)量變化補(bǔ)償值，分別輸入到速度補(bǔ)償模塊SPD_ADPT、直徑補(bǔ)償模塊DIAM_ADPT和張力PID調(diào)節(jié)控制器模塊中的IN，采用線性算法輸出OUT值。

復(fù)卷機(jī)運(yùn)行時(shí)張力保持穩(wěn)定，張力影響著復(fù)卷機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和成品紙卷的緊度。張力設(shè)定在畫面上可以看到實(shí)際曲線（如圖12所示），根據(jù)實(shí)際張力和速度的曲線變化調(diào)節(jié)張力的設(shè)定，以保持張力的穩(wěn)定性。

4.3 復(fù)卷力的形成

復(fù)卷力也稱復(fù)卷張力，是決定紙幅舒展好壞重要的因素，主要由前底輥和后底輥之間輸出的扭矩產(chǎn)生。后底輥的速度即為復(fù)卷機(jī)的運(yùn)行速度，調(diào)節(jié)后底輥的扭矩設(shè)定，以保持退紙張力和復(fù)卷張力之間的平衡。

剛開始復(fù)卷時(shí)雙底輥復(fù)卷力占總張力的60%～70%，到復(fù)卷結(jié)尾時(shí)降到50%左右。從圖14可以看出復(fù)卷力大小與直徑成反比，也就是說(shuō)直徑越大復(fù)卷力越小。

前后底輥設(shè)定的復(fù)卷力，經(jīng)過(guò)PLC模塊計(jì)算輸出扭矩傳給SINAMICS S120逆變器。圖15為前后底輥PLC扭矩輸出圖。

5 結(jié) 語(yǔ)

福建南紙6#紙機(jī)QUATTROLL復(fù)卷機(jī)自2009年10月投產(chǎn)以來(lái)，運(yùn)行狀態(tài)良好，復(fù)卷出來(lái)的紙卷得到客戶的一致認(rèn)可。復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，SIMATIC S7400 PLC、SINAMICS S120逆變器運(yùn)行良好且故障發(fā)生率較低。6#紙機(jī)正常生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)車速基本保持在1300 m/min，所以，復(fù)卷機(jī)車速要保持在2000 m/min以上才能保證成品紙卷現(xiàn)場(chǎng)不積壓，也才能保證在計(jì)劃外故障停機(jī)的情況下有充足的時(shí)間去處理。根據(jù)運(yùn)行8年來(lái)的生產(chǎn)實(shí)踐，證明該控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] SIEMENS SINAMICS S120 communication manual[S]. 2010.

西門子 S120 通訊手冊(cè)[S]. 2010.

[2] ZHANG Yungang， SONG Xiaochun， GUO Wuqiang. SIEMENS S7300/400 Technology and Application[M]. Beijing： Posts and Telecommunications Press， 2007.

張運(yùn)剛， 宋小春， 郭武強(qiáng). 西門子S7300/400技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2007.

（責(zé)任編輯：常 青）