造紙機水針精準移動控制策略分析

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：本課題設計了一套水針移動控制系統以解決造紙機網部用于紙機引紙和全幅定位的水針精準移動問題。基于變速雙控制死區方法，控制水針移動和定位;通過控制水針移動的速度切換，配合設置雙控制死區;采用水針降速的方式降低由水針移動引起的慣性誤差，以達到精準控制水針定位的目的。結果表明，采用變速雙控制死區方法，水針位移曲線變化平緩，最終停止時與水針設定位置的誤差為0.8%，定位更加精確;且與變速單死區系統相比，水針移動反應時間縮短，為紙機水針精準位移控制提供有價值的參考。

關鍵詞：紙機水針;移動定位;控制系統;雙死區控制

中圖分類號：TS736+.3?? 文獻標識碼：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

水針系統是紙機上的關鍵部分[1-3]，當紙機發生斷紙并重新引紙時，通過控制網部的水針橫向移動從而控制紙幅的寬度[4]，水針由全紙幅位置移動到引紙位置，使紙幅幅寬減小，便于現場人員將紙幅從伏輥引上卷取輥[5-6]，待現場人員引紙完成后，移動水針由引紙位置移動到全紙幅位置，紙機開始正常生產。水針的精準移動在這個過程中起到關鍵作用，要求水針移動迅速、定位精準，但由于水針在實際移動過程中存在慣性，水針定位存在較大偏差，水針反復調整位置，穩定時間較長等問題，導致損紙量增多，生產效率低。

目前，大多數紙機水針移動控制方式為：以 PLC 為控制核心，通過上位機設定的水針位置和編碼器檢測的水針實際位置相比較，通過變頻器控制速度切換，進而驅動電機控制水針位置[7-8]。倪鋒等人[9]設計了一種造紙機水針移動的控制系統，用 PLC 控制器和位置測量編碼器控制水針移動速度，通過控制水針的速度切換，以減小水針的定位誤差，此水針移動控制系統比較簡單，雖然得到了較好的控制，但控制精度不高。

本課題設計了一套水針移動控制系統，設置變速雙控制死區，分別為粗略控制的高死區和精確控制的低死區。控制死區是一個位移設定值，指水針實際位置與設定位置的差值。通過實際位置與設定位置的差值和控制死區設定值作比較，水針從引紙位向全幅位移動時，若差值≤控制死區設定值，則上位機繼續輸出控制命令，使水針繼續移動;反之，則上位機停止輸出控制命令。水針從全幅位向引紙位移動時，若差值≥控制死區設定值，則上位機繼續輸出控制命令，使水針繼續移動;反之，上位機停止輸出控制命令。針對水針精準移動問題，通過控制水針移動的高速和低速切換，配合設置雙控制死區，采用水針降速的方式來降低由水針運動引起的慣性誤差，以達到精準控制水針定位的目的。本系統可更精準控制水針移動位置，縮短水針移動反應時間，減少紙機引紙時的損紙量，提高紙機的生產效率。

1 水針系統組成

造紙機網部水針系統實物圖和水針結構示意圖分別如圖1和圖2所示。水針系統由水針水泵、水針、行架、帶編碼器的移動電機和限位開關等設備組成。水針水泵為水針提供高壓水，水針可在行架上移動來得到不同幅寬的紙幅;FS 側限位為操作側限位，指水針在操作側能夠到達的極限位置;DS 側限位為傳動側限位，指水針在傳動側能夠到達的極限位置。圖2中，位置1、2、3為紙機不同的引紙位置，由編碼器進行定位，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為紙機全幅位置，引紙完成后，水針移動到此位置。

水針控制系統硬件組成如圖3所示。監控組態軟件構成系統的上位機，上位機操作界面如圖4所示。控制器選用中控 ECS700控制系統，ECS700為大型集散控制系統，多用于造紙、石油、化工和制藥等行業。其具備組態完整性管理、在線單點組態下載、組態操作權限管理、查詢歷史數據及操作記錄等功能[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、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊;COM722為系統 DP 通信模塊。

2 控制邏輯設計

水針系統程序設計采用 ECS700系統的邏輯功能塊搭建，主要采取變速雙控制死區的方法控制水針移動定位。當電機高速運行時，控制死區范圍為±200，即高死區;當電機低速運行時，控制死區范圍為±30，即低死區。控制程序邏輯如下。

（1） 水針電機的啟動與停止：水針電機起停程序邏輯，如圖5所示。圖 5中， LE 為小于等于比較模塊，程序數值始終與水針實際位置和水針設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數值200或低死區數值30時，LE 模塊輸出1，則啟動水針電機向 DS 側移動; GE 為大于等于比較模塊，若差值≥a 引腳連接的控制高死區數值200或低死區數值30時，GE 模塊輸出1，則啟動水針電機并向 FS 側移動;若移動范圍超出 FS 側限位和 DS 側限位，則水針電機停止，水針停止移動。

（2） 水針移動速度的選擇：水針速度選擇程序邏輯圖如圖6所示，當水針向 FS 側移動時，水針實際位置與設定位置的差值≤1400時，則水針電機選擇低速運行;反之，則水針電機選擇高速運行。當水針向 DS 側移動時，水針實際位置與設定位置差值>1400時，水針電機選擇低速運行;反之，則水針電機選擇高速運行。

（3） 控制死區的選擇：控制死區選擇程序邏輯圖如圖7所示，水針開始高速移動時設定為高死區，當水針速度從高速變為低速的時刻開始計時，此后設置25 s 延時，即 25 s 期間均為高死區，25 s 結束后，控制程序從高死區自動變為低死區，具體過程見圖7。

3 控制結果與分析

在實際生產過程中，采用本課題設計的系統變速雙控制死區方法控制水針移動定位，以斷紙后水針從 DS 側向 FS 側移動為例，即生產斷紙后，水針由全幅位置移動到引紙位置的移動過程可參見圖8，水針移動過程具體分析如下。

（1） 生產斷紙后，系統接收到斷紙信號，水針設定位置自動變為 S2，實際位置 S ，水針實際位置與設定位置差值>200，水針電機啟動，水針開始向 FS 側移動;水針實際位置與設定位置差值>1400，水針速度為高速運行，速度由變頻器設定為50%，控制高死區為200。

（2） 水針繼續向 FS 側移動，當水針實際位置與設定位置差值≤1400，水針速度變為低速運行，速度由變頻器設定為6%。由圖7控制死區選擇程序邏輯可知，此刻開始計時延時25 s。

（3） 25 s 延時期間，控制死區依然是高死區200，水針繼續向 FS 側移動，當水針實際位置與設定位置差值<控制高死區200，水針移動電機停止工作，水針由于慣性繼續向 FS 側移動。

（4） 延時25 s 過后，控制死區由高死區200轉換為低死區30，水針實際位置與設定位置差值>低控制死區30，水針移動電機啟動通過低速移動進行位置調整。

（5） 經過調整后，水針移動電機停止工作時，水針實際停在744 mm 位置。

綜上所述，水針由全幅位置向引紙位置移動過程中，水針起初移動時，為高速高死區;當水針移動到臨界點時，即 S-S2=1400，S=2150處，水針移動速度從高速轉變為低速，同時開始25 s 計時，25 s 期間均為高死區;當水針移動到高死區范圍內時，電機停止工作，由于水針移動慣性作用，水針仍會繼續移動一段距離;25 s 延時結束后，水針控制從高速高死區轉變為低速低死區，控制程序用水針降速的方式來降低由水針運動引起的慣性誤差。通過本課題的變速雙死區方法與之前變速單死區方法比較，并繪制水針位移隨時間變化曲線如圖9所示。

由圖9可知，首先，在本課題的變速雙死區控制方法下，從40 s 后，水針位移曲線逐漸平緩接近設定值750 mm ，在55 s 時水針位移停在744 mm 位置，且位置保持穩定不變，水針位移誤差為0.8%，使水針移動更精準。其次，在以往變速單死區的控制方法下，時間經過40 s 后，水針位移在接近設定位置750時，出現超調現象，水針位移曲線出現波動，波谷最大誤差約為12%，隨著時間的推移，位移波動曲線最終在80 s 后趨于收斂，水針到達設定位置時反應時間較長。通過對比變速單死區系統可以發現，本課題采用變速雙控制死區避免了水針位移的超調現象，縮短了水針反應時間。

4 結論

本課題針對紙機網部用于引紙和全幅定位的水針精準移動問題，設計一套水針移動控制系統。基于變速雙控制死區方法控制水針移動定位，通過控制水針移動高速和低速切換，配合設置雙控制死區，采用水針降速的方式來降低由水針運動引起的慣性誤差以達到精準控制水針定位的目的。在實際生產過程中，采用該方法控制的水針最終位置與水針設定位置的誤差為0.8%，定位更加精準，相對變速單死區系統，穩定時間更短。從而減少了紙機引紙過程的損紙量，提高了生產效率。

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（責任編輯：董鳳霞）