造紙機恒張力控制系統中西門子PLC控制器的應用

王廣智

（撫順礦業集團有限責任公司望花琥珀工貿分公司，遼寧 撫順 113000）

引言

造紙行業與人們的生產生活息息相關，隨著人們生活水平的不斷提高和工業的快速發展，對紙張的需求量和質量要求都越來越高，這對造紙工藝過程提出了更高的要求[1-2]。整個造紙工藝過程涉及很多環節，其中有不少環節都需要對紙張的張力進行嚴格控制，不然會影響紙張的生產質量，同時還會降低紙張的生產效率，影響企業的經濟效益[3-4]。基于此，很多造紙車間和學者針對造紙機設計研究了紙張恒張力控制系統[5-6]。本文以某造紙機為例，結合實際情況基于西門子PLC控制器設計了恒張力控制系統，對于提升造紙機生產工藝質量和效率，保障企業經濟效益具有重要的實踐意義。

1 恒張力控制系統整體方案的設計

如圖1所示為造紙機恒張力控制系統的整體結構示意圖。從圖中可看出，系統主要利用張力傳感器對紙張的張力進行檢測，檢測結果經過張力放大器模塊處理后傳輸到西門子PLC控制器中。利用電機編碼器對電機的轉速進行檢測，同時PLC控制器通過輥徑計算出紙張速度后，對檢測結果進行分析判斷后下達控制指令，通過變頻器控制單元對驅動電機的變頻器進行控制，進而實現對收卷輥轉動速度的控制。整個控制形成一個閉環，可以保障紙張張力的實時調整與控制。上位機與西門子PLC控制器直接連接，作用是對整個控制過程中的數據進行顯示與監控，必要時還可以進行報警以提示工作人員及時處理故障問題。工作人員也可以直接在上位機中對控制參數進行調整與修改。

圖1 基于西門子PLC控制器的造紙機恒張力控制系統整體方案

西門子PLC控制器是造紙機恒張力控制系統的關鍵和核心，其性能好壞對整個控制系統的質量和穩定性有重要的影響，其作用主要是對各類傳感器采集得到的數據信息進行分析，獲得紙張的張力值大小，并將檢測結果與系統設計的張力范圍進行比較。若實際檢測值在系統設定值范圍內，則無需進行調整；若檢測結果在系統設計范圍以外，則需要根據兩者的差距大小下達控制指令，通過變頻器對收卷輥的轉速進行控制，將紙張的張力嚴格控制在設定范圍內，為紙張生產質量奠定堅實的基礎。

2 恒張力控制系統的硬件設施的選型

由于造紙機恒張力控制系統涉及的硬件設施比較多，以下主要就西門子PLC控制器和張力傳感器對部分核心的硬件設施的選型及其設計進行詳細介紹。

2.1 西門子PLC控制器的選型

隨著工業信息化技術的不斷發展與應用，PLC控制器以其顯著的優勢在工業領域的應用范圍越來越廣，比如PLC控制器存在抗干擾能力強、運行穩定等諸多優勢。目前市場上關于PLC控制器的生產廠家很多，市場份額比較大的主要包括德國西門子、美國AB公司、日本三菱等。在充分分析造紙機恒張力控制系統實際需要的基礎上，并考慮控制系統后續的拓展問題，最終選用的是德國西門子公司的S7-400型PLC控制器。西門子S7-400型PLC控制器的現場圖片見圖2。

圖2 西門子S7-400型PLC控制器的現場圖片

控制器CPU模塊。西門子S7-400型PLC控制器中CPU是比較關鍵的構成部分，對控制器性能有重要的影響。該型號控制器中的CPU型號為416-3，屬于大型高性能CPU，其整體采用模塊化設計，可靠耐用。該CPU具有很好的拓展性能，可以連接I/O模塊提升整體的性能。該CPU具有非常優越的性能，可外置大容量儲存卡，處理速度快，每0.3 ms可以處理大約1 000條左右的控制指令或運算。

控制器電源模塊。電源模塊的作用是為整個西門子S7-400型PLC控制器其他模塊進行供電，確保其他模塊的正常穩定運行。要求電源模塊能夠提供的功率超過其他所有模塊功率之和，實踐經驗表明，電源模塊功率大小應該留出30%左右的余量。結合實際情況選用的是PS407型電源模塊。該型號電源模塊可以作為負載電源，具有開路和短路保護作用，可以確保供電安全，能夠輸出的電流和電壓值分別為10 A和24 V DC。

2.2 張力傳感器的選型

張力傳感器的作用是對紙張生產時的張力大小進行實時檢測，檢測結果是控制系統下達控制指令的標準。在分析紙張生產實際張力的基礎上，并考慮一定余量，選用的是ABB公司PFTL 101A型張力傳感器，該型號傳感器在檢測2 000 N范圍以內的張力時，具有非常高的準確度。但是該信號傳感器檢測得到的張力信號還需要利用張力放大器進行轉換，將其轉變成為標準的4~20 mA模擬量信號，選用的張力放大器型號為ABB公司的PFEA111。ABB公司PFEA111型張力放大器現場照片見圖3。

圖3 ABB公司PFEA111型張力放大器現場照片

3 恒張力控制系統軟件部分的設計

造紙機恒張力控制系統軟件程序部分在西門子公司研制的PCS7編程軟件平臺上完成，程序部分采用的是模塊化設計，將整個軟件程序中的各部分進行獨立編程，形成子程序。主程序在運行過程中只需要對各子程序進行調用即可，如圖4所示為軟件主程序流程圖。由圖可知，軟件程序啟動后，首先需要進行初始化處理，并對相關參數進行設置，然后對相關參數進行讀取，再判斷各部分張力控制是否處在投用狀態。如果確認張力控制處在投用狀態，則會調用啟動子程序，再調用張力監測子程序，對紙張的張力大小進行檢測與控制，確保張力的恒定。控制系統在運行過程中，還需要判斷各分部是否存在張力過小的情況，一般來說如果張力小于設定值的30%，該分部的張力會自動脫開，轉至速度控制。如果出現緊急情況或者故障問題，系統會啟用停機子程序，以保障造紙機運行的安全性。

圖4 造紙機恒張力控制系統的軟件主程序流程圖

4 恒張力控制系統實踐應用效果研究

西門子S7-400型PLC控制器在造紙機恒張力控制系統中的實踐應用，取得了相對較好的應用效果。在保障紙張生產質量，提升造紙車間生產效益方面發揮著非常重要的作用具體體現如下：

1）提升了造紙車間的自動化控制水平。西門子PLC控制器在造紙機恒張力控制系統中的實踐應用，使得造紙設備能夠自動對紙張的張力大小進行調節與控制，顯著提升了紙張的生產技術含量和設備的自動化水平，有利于造紙企業的可持續發展。

2）為提升紙張生產質量奠定了良好的基礎。恒張力控制系統通過閉環方式進行控制，中間無需通過人為方式進行干預，有效避免了人為操作過程中的誤差和失誤。系統可以對紙張張力進行實時、快速的檢測與調整，因此生產得到的紙張質量更優。可以為造紙企業在激烈的市場競爭中贏得更大的市場份額，從而創造更大的經濟效益。

5 結論

1）整個恒張力控制系統采用的是閉環控制模式，通過張力傳感器對造紙機工作時紙張的張力大小進行實時檢測，通過張力放大器傳輸至PLC控制器中進行分析對比，最終實現紙帶張力大小的實時、準確控制。

2）控制器在控制系統中發揮著舉足輕松的作用，結合實際情況選用的是西門子公司生產研制的S7-400型PLC控制器，具有良好的性能，有效保障了恒張力控制系統運行過程的穩定性和控制精度。

3）西門子S7-400型PLC控制器的實踐應用取得了很好的應用效果，提升了造紙機的自動化水平，為造紙企業創造了良好的經濟效益。