一、概述

造紙行業(yè)以其傳動點多、同步性要求高、連續(xù)化生產(chǎn)的特點，與冶金行業(yè)一起被稱為自動化控制要求比較高的行業(yè)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流傳動系統(tǒng)在造紙行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，高性能、矢量控制型變頻器的出現(xiàn)，使得過去需要由直流雙閉環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)的傳動控制，完全可以由交流傳動系統(tǒng)來完成。為了滿足不同類型的紙張生產(chǎn)和提高勞動生產(chǎn)率的需要，要求造紙生產(chǎn)線向高速化、全自動化方向發(fā)展，工業(yè)控制器（PLC）和現(xiàn)場總線越來越多地應(yīng)用在造紙行業(yè)。這次，在淄博第二板紙廠，采用艾默生TD3000系列矢量控制型變頻器、艾默生現(xiàn)場總線適配器和S7-300PLC組成的控制系統(tǒng)，完美地實現(xiàn)了整條生產(chǎn)線的控制，為將來艾默生變頻器在高速紙機上的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

二、板紙生產(chǎn)線工藝簡介

該板紙機的型號為HT3000/110，是多圓網(wǎng)多烘缸板紙機，適用于生產(chǎn)用木漿、廢紙漿及其它漿料抄造定量為130-250g/m²的瓦楞原紙、掛面牛皮紙及箱板紙等品種。該型板紙生產(chǎn)線主要由壓榨部、烘干部、傳動部三部分組成。與之配套的設(shè)備有三輥半濕壓光機(即后面的光澤缸)、四輥壓光機及水平式圓筒卷紙機。

壓榨部的選型為一道雙毛布主壓榨、兩道正壓榨。壓榨部機架為型鋼焊接件，每條毛布圈路內(nèi)配置雙縫吸水箱、張緊器、校正器、高中壓噴水管及輥子加壓和氣動加壓等裝置。紙漿通過輥子加壓和氣動加壓粘附在毛布上，紙漿通過毛布之間的擠壓和雙縫吸水箱（抽真空）對紙漿脫水后初步定形為板紙。毛布比較大工作張力為4.5N/mm。

各道壓區(qū)線壓：(N/mm)

雙毯主壓設(shè)計線壓：60工作線壓：40

一道單毯壓榨設(shè)計線壓：80工作線壓：60

二道單毯壓榨設(shè)計線壓：100工作線壓：80

烘干部為保證烘干能力，烘缸（熱源是蒸汽）直徑為Ф1500*3350mm，配有24只，其中比較后一只為冷缸，烘缸分組按6+6+6+半干壓（光澤缸）+6排列。每組缸有4只缸為主動，其余為被動，之間通過干網(wǎng)連接。每條干網(wǎng)均配有氣動校正器、電動張緊器、導(dǎo)輥等。烘干部傳動側(cè)機架采用三角機架封閉式齒輪傳動，操作側(cè)為型鋼焊接箱型結(jié)構(gòu)，烘缸全部使用滾動軸承，稀油潤滑。通過壓榨部基本定形的板紙在烘干部被干網(wǎng)壓附在烘缸表面，經(jīng)過前三組缸烘干，板紙的干度在80%~85%之間，之后通過光澤缸對板紙進行初級壓光，然后板紙經(jīng)過第四組缸烘干，干度在90%~94%之間，此后板紙通過四輥壓光機兩次壓光成為成品板紙，比較后經(jīng)過水平式圓筒卷紙機將板紙成卷。

傳動形式，分別由真空回頭輥（37KW）、一壓（75KW）、二壓（37KW）、三壓（37KW）、一組缸（22KW）、二組缸（22KW）、三組缸（22KW）、光澤缸（30KW）、四組缸（22KW）、壓光（37KW）及卷紙（15KW）等11個傳動點組成，共計363KW，每一臺交流變頻專用電機通過硬齒面齒輪減速箱直接傳動各主動輥或主動齒輪。每一傳動點配有相應(yīng)的聯(lián)軸器、中間軸（包括萬向節(jié)）和基礎(chǔ)板。各部分設(shè)置啟動、停止、升速、降速按鈕，達到單調(diào)、統(tǒng)調(diào)、運行/爬行等功能，設(shè)置運行、故障指示燈，電流、速度指示儀表等。

板紙機主要技術(shù)參數(shù)：

生產(chǎn)品種：瓦楞原紙、掛面牛皮紙、箱板紙等

抄造定量：130-250g/m²凈紙寬度：3000mm

網(wǎng)寬：3350mm生產(chǎn)能力：55-60T/d

工作車速：75-140m/min設(shè)計車速：150m/min

主機軌距：3900mm傳動方式：變頻調(diào)速，分部傳動

裝機容量：363KW外型尺寸：（長*寬*高）67*10.5*6m

三、系統(tǒng)設(shè)計

1、控制要求

1）、11個傳動點采用矢量控制型變頻器組成閉環(huán)系統(tǒng)；

2）、Profibus現(xiàn)場總線控制

控制的重點是保證各傳動點的線速度保持一致，尤其要保證線前兩級一壓和真空回頭輥的嚴格同步，并保證兩個電機的負荷均衡。因其工藝上的特點，要求轉(zhuǎn)矩控制快速響應(yīng)和準確控制，能以很高的控制精度進行寬范圍的閉環(huán)調(diào)速運行。并且當某一傳動點因故障停機時,在不影響生產(chǎn)的情況下能正常啟動。

2、系統(tǒng)控制方案及設(shè)備選型

該控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是在系統(tǒng)負荷變化時，如何能保證各傳動點的線速度一致。

考慮到為將來的高速紙機做技術(shù)上的鋪墊，我們選用了艾默生TD3000系列變頻器和西門子S7-315-2DP可編程控制器，通過Profibus現(xiàn)場總線組成整個的控制系統(tǒng)?？删幊炭刂破?PLC)通過Profibus總線實時采集負荷數(shù)據(jù)，完成對各傳動點速度控制和轉(zhuǎn)矩控制的在線疊加，以實現(xiàn)各傳動點的自動負荷均衡，每個傳動點設(shè)有微調(diào)按鈕，必要時進行手動調(diào)整（通過程序限制手動微調(diào)的調(diào)節(jié)范圍），同時通過通訊方式讀取變頻器的輸入端子狀態(tài)，即將變頻器的控制端子作為PLC的DI端子，從而減少了PLC的數(shù)字量輸入模塊數(shù)量。TD3000系列變頻器的調(diào)速范圍是1：1000，完全能滿足控制精度的要求，并且其在10~300rpm時低于10％的轉(zhuǎn)矩脈動及電機預(yù)勵磁功能，使啟動運行平滑、無沖擊和抖動，從而能更好的承受一定的負荷變化。適配器選擇艾默生專為其變頻器應(yīng)用PROFIBUS現(xiàn)場總線而生產(chǎn)的TDS-PA01，它屬于Profibus智能從站，能響應(yīng)主機的查詢，并執(zhí)行主機下發(fā)的控制命令。

3、系統(tǒng)組成

變頻器的功能參數(shù)設(shè)置見表1。。

11臺變頻器的參數(shù)基本相同，但略有差別，變頻器的功能參數(shù)設(shè)置見下表：

參數(shù)號設(shè)定值

F0.021（閉環(huán)矢量）

F0.036（通訊給定）

F0.052（通訊控制）

F0.1090（加速時間）

F0.1190（減速時間）

F1組電機參數(shù)根據(jù)電機分別設(shè)定

F2.00光澤缸和4組缸：2（跟蹤起動）其它傳動點：0（從起動頻率起動）

F2.091（自由停車）

F3.00－F3.03ASR速度調(diào)節(jié)器PI參數(shù)，在出廠參數(shù)基礎(chǔ)上，根據(jù)實際情況略加調(diào)整

F3.07120%

F3.080(都未加制動單元)

F5.01－F5.080輸出（可編程通過總線讀取每臺變頻器的端子狀態(tài)，每個端子的具體功能在可編程中定義）

F5.111（PA－PC輸出變頻器運行中信號）

F6.080（AO1定義為頻率輸出）

F6.093：適用于回頭輥、一壓、二壓、三壓、一組缸（AO2定義為電流輸出）4：適用于二組缸、三組缸、光澤缸、四組缸、壓光機、卷紙機（AO2定義為轉(zhuǎn)矩％輸出）

F6.10－F6.13根據(jù)不同變頻器F6.09的選擇適當調(diào)整，使顯示儀表的指示與對應(yīng)參量的實際值相等。

F9.003

F9.010

F9.023～13（順序分配）

F9.034（PPO4）

F9.05PZD3連接值＝10（電機轉(zhuǎn)矩％）

F9.08PZD6連接值＝12（開關(guān)量輸入狀態(tài)）

FA.028(復(fù)位有效)

FB.00600(脈沖編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù))

FB.010(PG方向)

三、系統(tǒng)安裝與布線

因系統(tǒng)采用了PROFIBUS總線的控制方式，總線的通訊速率達45kbit/s，為避免因設(shè)備的安裝和布線造成對整個系統(tǒng)的影響，所以嚴格參照SIEMENS的接線標準接線，并且處理好系統(tǒng)的接地，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。鄭州變頻器　網(wǎng)址：http://m.cntjjp.com.cn 鄭州變頻器維修中心 維修電話：0371- 56700815  15515598858

四、系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試的關(guān)鍵集中在真空回頭輥和一壓的啟動，因為二者之間是通過毛布軟聯(lián)接，所以當二者之間的負荷略有差別時，由于毛布的張力，就會造成嚴重的負荷不均衡，從而造成不能正常啟動，即使能夠在某一頻率下啟動，當改變運行速度或負載變化時，就會出現(xiàn)故障，因為一組變頻器參數(shù)不可能滿足此種軟聯(lián)接負荷變化。要解決此問題，就需要在真空回頭輥和一壓運行時實時的調(diào)整二者的運行頻率，進而實現(xiàn)實時的負荷均衡控制，其它各傳動點以速度鏈的方式達到同步，從而實現(xiàn)負荷均衡。

PLC負荷均衡算法實現(xiàn)分兩部分：

⑴在PLC內(nèi)做一個給定積分器，使其加速時間大于變頻器內(nèi)部的加速時間，這樣可以隨意控制真空回頭輥和一壓的升速時間和升速步距，以保證在啟動過程和恒速時進行微調(diào)疊加的可能性。

⑵速度控制和轉(zhuǎn)矩控制的疊加，即在保證主給定基本不變的基礎(chǔ)上，通過檢測負載的轉(zhuǎn)矩的變化，對主給定做適當?shù)恼{(diào)整。

通過PLC算法解決了各傳動點的啟動和運行問題，但系統(tǒng)正常運行時，出現(xiàn)某一傳動點無故停機的現(xiàn)象。

分析原因：

⑴停機信號是由PLC的數(shù)據(jù)區(qū)紊亂，造成送出的數(shù)據(jù)恰好是停機指令；

⑵PLC的確接收到停機信號；

⑶總線因受到干擾自己產(chǎn)生的紊亂信號。

經(jīng)過對PLC的在線實時監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)設(shè)備無故停機時，PLC的確是送出了停機指令，這說明PLC是接收到了停機信號，因為每個傳動點的控制信號是PLC通過Profibus總線從變頻器中讀取的，所以錯誤信號來源于變頻器的干擾。

抗干擾措施：

⑴硬件抗干擾

將原來停機按鈕的常開點改為常閉點，使停車有效信號與干擾信號反向。

⑵軟件抗干擾

PLC從變頻器中連續(xù)多次讀取停機信號后方認為是真正的停機信號。

注：通過調(diào)整狀態(tài)有效的比較次數(shù)即可調(diào)節(jié)軟件抗干擾的能力。

通過以上抗干擾措施的實施，設(shè)備無故停機的現(xiàn)象完全消除。

五、系統(tǒng)完善

1、真空回頭輥和一壓在負載變化較大時，負載電流的波動較大，動態(tài)微調(diào)的算法仍可改進。

2、當紙卷的卷徑變大時，張力增大，會造成壓光機和四組缸被拖至發(fā)電狀態(tài)，出現(xiàn)過壓的現(xiàn)象，所以PLC應(yīng)實現(xiàn)全線控制的自動微調(diào)，今后，可在系統(tǒng)優(yōu)化時實現(xiàn)。

3、現(xiàn)場控制信號是PLC通過PROFIBUS讀取變頻器的端子狀態(tài)來實現(xiàn)的，這樣減少了PLC的I/O模塊的數(shù)量，但同時也增加了整個系統(tǒng)對Profibus總線的依賴性及對抗干擾的要求。

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六、結(jié)束語

該控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于淄博第二板紙廠，設(shè)備運行正常，尤其是基本實現(xiàn)了全線自動負荷均衡大大降低了操作人員的勞動強度。這是TD3000系列變頻器首次應(yīng)用于整條板紙生產(chǎn)線，并獲得成功，是艾默生變頻器在造紙行業(yè)提供成套解決方案的典型案例，也為其今后應(yīng)用于高速紙機奠定了堅實的基礎(chǔ)。