高速復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

郭艷萍，陳相志

（漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，漯河 462000）

0 引言

雙底輥下引紙復(fù)卷機(jī)的卷取輥由前、后底輥構(gòu)成，紙幅通過放卷輥產(chǎn)生的退卷張力卷繞到卷取輥上，將紙幅復(fù)卷成具有一定緊度和寬度的成品紙卷，如圖1所示。

圖1 雙底輥復(fù)卷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

復(fù)卷過程包括放卷控制、紙幅控制和紙卷結(jié)構(gòu)控制，其中紙卷結(jié)構(gòu)控制最重要。影響紙卷結(jié)構(gòu)的主要是放卷輥與前后底輥之間產(chǎn)生的張力、壓紙輥的壓力和前后底輥的轉(zhuǎn)矩差[1]。

原復(fù)卷機(jī)采用直流傳動(dòng)系統(tǒng)，模擬速度調(diào)節(jié)器參數(shù)易漂移，且在控制室和現(xiàn)場之間分布有大量的I/O電纜，造成復(fù)卷機(jī)的可靠性和精度不高，難以滿足與之配套的高速紙機(jī)的生產(chǎn)要求。隨著變頻技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)在造紙行業(yè)中的不斷推廣以及計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的結(jié)合，以PLC為控制單元，變頻器為執(zhí)行單元的全數(shù)字現(xiàn)場總線控制傳動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)張力控制、壓力控制和負(fù)荷分配控制等要求。應(yīng)用現(xiàn)場總線和通信技術(shù), 上位機(jī)可以方便地實(shí)現(xiàn)與總線上任意一臺(tái)變頻器之間的串行通信；變頻器的應(yīng)用改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，徹底解決了張力控制和負(fù)荷分配控制的難題，提高了系統(tǒng)的控制精度和可靠性。

1 復(fù)卷機(jī)系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)復(fù)卷機(jī)的工藝要求，該控制系統(tǒng)由Profibus-DP總線構(gòu)成單主從工作方式，如圖2所示。主站采用SIEMENS的S7-300PLC做控制器，完成對放卷輥紙卷卷徑、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)鹊挠?jì)算，完成壓紙輥壓區(qū)壓力控制并通過現(xiàn)場總線以實(shí)現(xiàn)對逆變器的控制及運(yùn)行參數(shù)的讀取；從站為控制放卷輥電機(jī)和前后底輥電機(jī)的三臺(tái)6SE70逆變器和兩塊遠(yuǎn)程ET200M輸入輸出模塊。放卷輥逆變器通過控制放卷輥的轉(zhuǎn)矩來保持紙幅的張力恒定，前后底輥逆變器通過控制前后底輥電機(jī)的轉(zhuǎn)矩差實(shí)現(xiàn)紙卷的結(jié)構(gòu)控制。上位機(jī)采用人機(jī)界面OP270，通過ProTool軟件組態(tài)，共有10個(gè)畫面，可以實(shí)現(xiàn)手、自動(dòng)常規(guī)生產(chǎn)操作和監(jiān)控復(fù)卷機(jī)的紙幅張力、壓紙輥壓力、運(yùn)行車速及傳感器的工作狀態(tài)，還可以通過畫面進(jìn)行張力、壓力等主要技術(shù)參數(shù)的設(shè)定，畫面還有故障報(bào)警信息顯示、歷史數(shù)據(jù)記錄、報(bào)表管理等功能。

1.2 公共直流母線供電方式

圖2 復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)由放卷輥電機(jī)、前、后底輥電機(jī)組成，這三臺(tái)電機(jī)分別由三臺(tái)變頻器控制。在同一時(shí)刻，系統(tǒng)中由變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)有的處于電動(dòng)狀態(tài)，有的處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。處于電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)要消耗能量，處于發(fā)電狀態(tài)的電機(jī)會(huì)產(chǎn)生能量，產(chǎn)生的能量如果不通過能耗制動(dòng)單元以熱量的形式散發(fā)出去或通過能量回饋單元返回到電網(wǎng)中，就會(huì)導(dǎo)致變頻器制動(dòng)過電壓保護(hù)動(dòng)作，影響系統(tǒng)運(yùn)行。如果能夠?qū)⑻幱诎l(fā)電狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的能量直接傳給處于電動(dòng)狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)使用，那么能耗制動(dòng)所浪費(fèi)的電能或者能量回饋單元的設(shè)備購置費(fèi)用就可以節(jié)省下來，因此，復(fù)卷機(jī)作為一個(gè)多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，采用公共直流母線的供電方式可以解決多臺(tái)電機(jī)間電動(dòng)狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)之間的矛盾。

根據(jù)復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，變頻器主電路選用一個(gè)西門子整流/回饋單元和3臺(tái)逆變器構(gòu)成，發(fā)電狀態(tài)工作橋通過一臺(tái)自耦變壓器和電網(wǎng)相連接[2]，如圖3所示。整流/回饋單元[3]不但能提供逆變器所需的直流電源，還能夠?qū)⑻幱诎l(fā)電狀態(tài)電機(jī)產(chǎn)生的電能送回電網(wǎng)（四象限工作）。在正常工作時(shí)放卷輥的逆變器處于整流工作狀態(tài)，即能量由電機(jī)回饋到直流母線上，而其他逆變器則均處于逆變工作狀態(tài)，將直流母線上的電能輸送到對應(yīng)的電機(jī)中。這樣將原本需通過能耗制動(dòng)裝置消耗的電能用于驅(qū)動(dòng)其他電機(jī)或回饋到電網(wǎng)，有效抑制了過流和過壓故障的發(fā)生。它與傳統(tǒng)的一個(gè)系統(tǒng)使用多臺(tái)單個(gè)變頻器的方案相比，具有節(jié)能、提高設(shè)備運(yùn)行可靠性、減少設(shè)備維護(hù)量和設(shè)備占地面積等優(yōu)點(diǎn)。

2 主要控制策略

2.1 放卷輥張力控制

在復(fù)卷過程中，為了展平紙幅，同時(shí)避免紙幅發(fā)生橫向偏移，必須使放卷輥與前后底輥之間的張力保持恒定，所以對放卷輥的控制主要是針對放卷張力的控制，而對放卷張力控制的關(guān)鍵是控制放卷輥電機(jī)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。若采用直接張力控制，雖然張力的控制精度得到了提高，但由于復(fù)卷過程中卷徑的不斷變化以及加減速時(shí)紙卷轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，因此直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，造成斷紙或松紙[1]；若采用間接張力控制，雖然它可以對復(fù)卷過程由于卷徑和加減速變化引起的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償，間接地保持張力近似不變，易于系統(tǒng)穩(wěn)定，但控制精度不如直接張力控制高。為此，采用速度、電流、張力相結(jié)合的三閉環(huán)控制系統(tǒng)[4]，如圖4所示。

圖3 公共直流母線供電方式

圖4 張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

復(fù)卷機(jī)在加減速階段，也就是建張階段，放卷輥電機(jī)要在電動(dòng)狀態(tài)下工作以很快建立張力。在建張過程中需要投入速度調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)為轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，PI調(diào)節(jié)器通過控制轉(zhuǎn)速間接控制張力，補(bǔ)償加減速造成的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩對張力的影響，避免張力振蕩，屬于間接張力控制系統(tǒng)；建張完成后，即張力偏差小于3%時(shí)，放卷輥電機(jī)要工作在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)速度調(diào)節(jié)器處于開環(huán)狀態(tài)，張力環(huán)投入工作，形成張力電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，此時(shí)為直接張力控制系統(tǒng)[4]。

西門子6SE70系列變頻器內(nèi)部提供了一系列可以自由選用的軟件模塊，它們可以通過參數(shù)設(shè)定插入到軟件的任一個(gè)軟開關(guān)中，非常方便地實(shí)現(xiàn)圖4所示的功能。首先通過變頻器軟件模塊的運(yùn)算功能間接計(jì)算出放卷輥的卷徑和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值，然后利用西門子變頻器的速度控制模式和張力控制模式對系統(tǒng)張力進(jìn)行控制。當(dāng)變頻器處于速度控制模式時(shí)，速度環(huán)的線速度給定應(yīng)是隨著卷徑變化的量，它控制放卷輥的線速度跟隨車速的變化，同時(shí)將加減速變化引起的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩對張力的影響折算成一個(gè)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值，與速度調(diào)節(jié)器的輸出疊加后提供給電流調(diào)節(jié)器，以控制放卷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩；當(dāng)變頻器處于張力控制模式時(shí)，將張力給定提供給張力調(diào)節(jié)器，以控制放卷電機(jī)所需的張力。這時(shí)讓變頻器的速度調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)，張力調(diào)節(jié)器的輸出作為電流環(huán)的限幅值，使電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，產(chǎn)生所需要的張力。因此，在復(fù)卷機(jī)引紙及加減速時(shí)，變頻器運(yùn)行在速度控制模式，但當(dāng)系統(tǒng)張力實(shí)際達(dá)到設(shè)定值的60%時(shí)，它將通過PLC控制器自動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩控制并投入張力控制器，使張力能很好地跟隨設(shè)定值。

2.2 壓紙輥壓力控制

卷取輥上紙卷所受的壓力主要來自于壓紙輥的壓力負(fù)荷和紙卷自身的重量。在復(fù)卷過程中，紙卷的卷徑在逐漸增大，紙卷自身的重量也會(huì)隨之增加，如果此時(shí)壓紙輥施加的壓力不變的話，就會(huì)使成品紙卷越卷越緊，達(dá)不到良好的紙卷結(jié)構(gòu)控制效果。因此，為保證復(fù)卷的成品紙卷具有外松內(nèi)緊的良好品質(zhì)，就必須借釋放壓紙輥施加的壓力負(fù)荷來補(bǔ)償上述兩項(xiàng)因素的影響，才能獲得成品紙卷與底輥的接觸點(diǎn)之間的壓力恒定的要求[5]。

壓紙輥的壓力控制由PLC完成，根據(jù)廠里經(jīng)常生產(chǎn)的幾種紙種，事先把壓力與卷徑的關(guān)系曲線計(jì)算出來并設(shè)置程序存入PLC，卷徑信號(hào)由PLC從卷徑電位器讀取。壓紙輥壓力輸出信號(hào)由PLC輸出到電子放電器，電子放電器的輸出端口輸出到電液比例放大器的輸入端，經(jīng)放大處理后控制電磁比例減壓閥的開度，繼而控制液壓缸內(nèi)的油壓，就可得到不同的懸稱力，從而控制紙卷有適當(dāng)?shù)木€壓力，并能隨著紙卷直徑和重量的增大而適當(dāng)調(diào)整。

2.3 前后底輥負(fù)荷分配控制

紙卷的結(jié)構(gòu)除了受壓紙輥壓力大小的影響外，還與前后底輥產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩差有很大關(guān)系。為了使復(fù)卷后的成品紙具有外松內(nèi)緊的品質(zhì)，不僅要求前后底輥電機(jī)要同步，還必須使前后底輥電機(jī)有適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩差，即對前后底輥電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行負(fù)荷分配控制。剛開始復(fù)卷時(shí)，前底輥電機(jī)的轉(zhuǎn)矩要稍大于后底輥電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，使初始紙卷較緊，隨著紙卷卷徑的增大，前底輥轉(zhuǎn)矩逐漸減小，后底輥轉(zhuǎn)矩逐漸增大，當(dāng)卷徑達(dá)到一定尺寸時(shí)，兩輥轉(zhuǎn)矩基本相當(dāng)，此后后底輥轉(zhuǎn)矩略大于前輥，使紙卷卷得松一些。

由圖1可知，復(fù)卷機(jī)前后底輥電機(jī)軸之間沒有機(jī)械連接，它們是通過紙幅進(jìn)行的柔性連接，因此可以分別調(diào)節(jié)[6]。兩個(gè)前后底輥又同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)紙卷，對于這種連接方式的多點(diǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)，可以使用變頻器的主從控制，前后底輥都采用西門子的矢量變頻器控制，前底輥為主傳動(dòng)，后底輥為從傳動(dòng)。西門子6SE70系列變頻器具有主從控制功能，利用其豐富的自由功能模塊和靈活的BICO技術(shù)，可方便地組態(tài)主從控制系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 主從控制系統(tǒng)組成框圖

在圖5中，將前底輥電機(jī)設(shè)定為主傳動(dòng)，后底輥電機(jī)設(shè)定為從傳動(dòng)，主傳動(dòng)變頻器采用速度轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制模式；從傳動(dòng)變頻器采用轉(zhuǎn)矩單閉環(huán)控制模式。西門子6SE70系列變頻器實(shí)現(xiàn)主從控制方式時(shí)，必須通過定義變頻器的控制字（P587）來定義變頻器的工作狀態(tài)，同時(shí)把主變頻器速度調(diào)節(jié)器的輸出（k0153）通過simolink通訊傳送到從變頻器作為轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)（P486），使從傳動(dòng)輸出的轉(zhuǎn)矩能很好地跟隨主傳動(dòng)輸出轉(zhuǎn)矩的變化。在主從控制中，外部速度給定信號(hào)只與主變頻器相連接，主變頻器經(jīng)由光纖simolink通訊控制從變頻器。

根據(jù)復(fù)卷機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，從變頻器可以在速度控制模式和轉(zhuǎn)矩控制模式之間自動(dòng)切換。當(dāng)復(fù)卷機(jī)在穩(wěn)速階段正常工作時(shí)，從變頻器的速度限幅器相當(dāng)于開環(huán)，此時(shí)從變頻器處于轉(zhuǎn)矩控制模式，從變頻器跟隨主變頻器的轉(zhuǎn)矩給定；當(dāng)復(fù)卷機(jī)處于加減速階段時(shí)，從變頻器自動(dòng)切換為速度控制模式，速度限幅器輸出負(fù)值，加上來自主變頻器的轉(zhuǎn)矩給定，使內(nèi)部的轉(zhuǎn)矩給定受到限制，以防止后底輥電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高。從變頻器在兩種控制模式之間的自動(dòng)切換不僅可以實(shí)現(xiàn)前后底輥電機(jī)的負(fù)荷分配控制，同時(shí)由于從變頻器有速度限幅器，還可以使從變頻器的運(yùn)行速度很好地跟隨主變頻器的速度，避免發(fā)生飛車事故[7]。

3 結(jié)論

利用西門子6SE70系列變頻器的自由功能模塊，可以通過設(shè)定相關(guān)參數(shù)方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)卷機(jī)的直接張力和間接張力相結(jié)合的復(fù)合張力控制策略和前后底輥的轉(zhuǎn)矩差控制策略。變頻技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用到復(fù)卷機(jī)交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，不僅降低了控制系統(tǒng)的工程成本，減少了工程設(shè)計(jì)和施工的工作量，而且提高了系統(tǒng)的可靠性和控制精度。變頻改造后，復(fù)卷機(jī)的運(yùn)行車速可以達(dá)到1500m/min，且運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡便，能夠滿足高速復(fù)卷機(jī)的控制要求。

[1] 郭艷萍.復(fù)卷機(jī)恒張力與負(fù)荷分配控制設(shè)計(jì)及應(yīng)用[D].天津大學(xué),2005.

[2] 王萬新,公共直流母線在交流傳動(dòng)中的應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng),2002,32(5):P57-58.

[3] Siemens Electrical Drives Ltd.SIMOVERT MASTERDRIVES rectif i er/feedback unit operation instruction,2003.

[4] 郭艷萍.復(fù)卷機(jī)恒張力控制的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].電氣傳動(dòng).2009,39(2):65-67.

[5] 羅斌,王孟效,周紅.采用現(xiàn)場總線的全交流復(fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J],電機(jī)與控制應(yīng)用,2007,34(11):55-59.

[6] 向小波,朱勁.復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)的改造[J].中國造紙,2003,22(11):41-43.

[7] 郭艷萍.負(fù)荷分配控制策略的分析與實(shí)現(xiàn)[J].中國造紙,2009,28(12):52-55.