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一、 項目簡介
shandongdezhouxingtaizhiyegongsishishandongzhaodongfangzhiyejituanxinjiandejuyouguoneilingxianshuipingdegaodangbanzhishengchanqiye。qigaodangbanzhixiangmuweiguojiajingmaoweipifulixiangdeguojiazhongdianjishugaizao“雙高一優”項目。公司位於山東省平原縣龍門經濟開發東區，占地500餘畝，總投資5億元，主要生產100-300g/m2環保型高檔工業板紙。設計生產能力為20萬噸/年。該項目采用日本、歐美等國家的先進的生產工藝設備，配置了國內先進的4400/450板紙機生產線，是國內生產規模最大的生產線之一。項目工藝以美廢(歐廢、國廢)，木漿為主要原料。可參閱下圖(一)。
圖(一)
該4200/450紙機傳動控製係統以西門子S7-400 PLC為主控製器，以5個S7-200 PLC為輔助控製器，同時配合5個OP270操作屏作為係統操作控製麵板。由於該傳動係統共有傳動點40個，再加上主從控製PLC、操作屏，整個係統的節點數共有50個，必須采用高速通訊網絡來實現實時數據交換與控製，因此采用西門子profibus dp高速現場總線通訊網絡來構建整個傳動係統，從而保證係統反應迅速及時，並能可靠運行。
二、 控製係統構成
紙機控製係統的結構圖如下圖(二)所示：
圖(二)
係統為三級控製方式。
傳動係統第一級為變頻器控製級，變頻器采用ABB公司ACS800係列multidrive多傳動控製器，配有閉環控製編碼器反饋板，組成閉環控製係統。變頻器上還配有DP通訊板，與PLC組成PROFIBUS-DP現場總線控製網絡進行實時高速通訊。
傳動係統第二級為PLC控製係統，PLC采用西門子公司大型S7-400 CPU為414-2DP，操作控製選用西門子OP270操作屏。S7-400與變頻器、OP270操作屏以及S7-200輔助PLC組成PROFIBUS-DP現場總線控製網絡，完成整個紙機操作控製。
傳動係統第三級為上位優化控製係統，采用DELL公司工業控製計算機,用於整個紙機傳動係統狀態監控。上位機采用西門子組態軟件WINCC，可以通過工業以太網與QCS上位機、DCS上位機、車間管理級、廠級管理級等聯網控製，實現紙機傳動控製係統優化控製和自動控製。
三、 控製係統完成的功能
在紙機傳動控製係統中，根據工藝要求需要實現以下幾個主要的控製。
1．速度鏈控製
速度鏈結構采用二叉樹數據結構算法，先對各傳動點進行數學抽象，確定速度鏈中各傳動點的編號，此編號應與傳動單元(本係統為逆變器)中設定的地址一致。即任一傳動點由三個數據(“父子兄”或“父子弟”)確定其在速度鏈中的位置，填入位置寄存器相應的數值，從而構成整個速度鏈結構。
算法設計：
圖 (三) 速度鏈控製結構示意
如圖(三)所(suo)示(shi)我(wo)們(men)把(ba)紙(zhi)機(ji)第(di)一(yi)分(fen)部(bu)點(dian)作(zuo)為(wei)速(su)度(du)鏈(lian)中(zhong)的(de)主(zhu)節(jie)點(dian)，即(ji)它(ta)的(de)給(gei)定(ding)速(su)度(du)就(jiu)決(jue)定(ding)整(zheng)個(ge)紙(zhi)機(ji)的(de)工(gong)作(zuo)車(che)速(su)，調(tiao)節(jie)其(qi)給(gei)定(ding)速(su)度(du)就(jiu)調(tiao)節(jie)了(le)整(zheng)個(ge)紙(zhi)機(ji)車(che)速(su)。在(zai)PLC內，我們檢測到車速調節信號則改變車速單元值，1dianchudesudujiuweidiyitaibianpinqideyunxingsudushedingzhi，jiangqisongdiyitaibianpinqizhixing，bingsonggeidiertaijisuan。diyifenbudesuduzhichengyidierfenbudebianbib1/a則為第二台變頻器的給定值。若第二分部速度不滿足運行要求，說明第二分部變比不合適，可通過操作第二分部的加速、減速按鈕實現，PLC檢測到按鈕信號後調節b1即調整了變比，使其適應生產要求。相當於在PLC內部有一個高精度的齒輪變速箱，可以任意無級調速。若正常生產中變比合適，某種原因需要用緊紙、鬆紙時，按下該分部緊紙、鬆紙按鈕，PLC將對應在速度鏈上附加一正或負的偏移量則實現緊紙、鬆紙功能。圖中2點就包含了調速和緊紙、songzhidengcaozuozhilingdesuduzhi，jiangtasonggeidiertaibianpinqizhixing，tongshisongxiayijijisuan。yicileitui，gouchengsuduliankongzhixitong。suduliandefenzhishejicaiyongfuzisuanfa，keyigouchengrenyifenzhidesudulianjiegou。
本速度鏈的設計不僅隻是為實現紙機傳動控製要求，而且為後續的計算機優化控製提供了可能。在PLC內部有非常精確的傳動變比，我們設計為精度為0.001%，tongguoshedingcanshukeyizuodaogenggao。zheyangyoujingquedechuandongbianbishangweijisuanjikeyijingquedijiyizhijichuandongguochengcanshu，dangxuyaogenghuanpinzhonghuochesushi，shangweijisuanjikeyizhunquedijiangzhijiyunxingcanshuchuanrudaoPLC，由PLC執行，將紙機調整到當前工作狀態。
2．負荷分配控製
在zai紙zhi機ji傳chuan動dong控kong製zhi過guo程cheng中zhong經jing常chang遇yu到dao由you幾ji台tai電dian機ji同tong時shi拖tuo動dong同tong一yi負fu載zai的de情qing況kuang。例li如ru壓ya榨zha部bu兩liang輥gun壓ya榨zha，上shang下xia傳chuan動dong輥gun都dou有you自zi己ji的de傳chuan動dong電dian機ji，通tong過guo加jia壓ya同tong步bu運yun行xing。所suo以yi類lei似si這zhe樣yang的de傳chuan動dong隻zhi有you電dian動dong機ji速su度du同tong步bu並bing不bu能neng滿man足zu實shi際ji係xi統tong的de工gong作zuo要yao求qiu，實shi際ji係xi統tong還hai要yao求qiu各ge傳chuan動dong點dian電dian機ji負fu載zai率lv相xiang同tong，否fou則ze會hui造zao成cheng一yi個ge傳chuan動dong點dian由you於yu過guo載zai而er過guo流liu，另ling一yi傳chuan動dong點dian則ze由you於yu被bei拖tuo動dong而er過guo壓ya，由you此ci可ke能neng造zao成cheng傳chuan動dong單dan元yuan報bao警jing甚shen至zhi停ting機ji，影ying響xiang生sheng產chan。因yin此ci這zhe兩liang個ge傳chuan動dong點dian之zhi間jian需xu要yao進jin行xing負fu荷he分fen配pei控kong製zhi。
負荷分配原理：在多電機傳動過程中要求各傳動點電機負載率相同，即δ=Pi/Pie相同（Pi為i電機所承擔負載功率，Pie為電機額定功率）。而且在負荷分配調節過程中不能影響其它各分部的速度。所以我們采用速度鏈主鏈與子鏈相結合的設計方法。
本係統中共有11組負荷分配傳動點。包括網部4組，壓榨部3組，烘缸部3組以及施膠部1組。PLC采集負荷分配點的運行轉矩，求出每組總的負載轉矩，根據總負荷轉矩計算負載均衡時的期望轉矩值，如下式：
其中： T是均衡時的期望轉矩值；
Pie是負荷分配各點的額定功率； Ti是各點的實際轉矩。
主控PLC由DP總(zong)線(xian)通(tong)過(guo)通(tong)訊(xun)取(qu)得(de)各(ge)點(dian)的(de)實(shi)際(ji)轉(zhuan)矩(ju)，通(tong)過(guo)上(shang)式(shi)計(ji)算(suan)出(chu)負(fu)荷(he)均(jun)衡(heng)時(shi)的(de)期(qi)望(wang)轉(zhuan)矩(ju)作(zuo)為(wei)給(gei)定(ding)值(zhi)，通(tong)過(guo)調(tiao)節(jie)驅(qu)動(dong)單(dan)元(yuan)的(de)輸(shu)出(chu)，使(shi)各(ge)點(dian)的(de)實(shi)際(ji)轉(zhuan)矩(ju)值(zhi)趨(qu)向(xiang)一(yi)致(zhi)。在(zai)實(shi)際(ji)設(she)計(ji)中(zhong)，使(shi)負(fu)荷(he)分(fen)配(pei)傳(chuan)動(dong)點(dian)處(chu)於(yu)速(su)度(du)鏈(lian)的(de)支(zhi)鏈(lian)上(shang)，則(ze)當(dang)調(tiao)節(jie)該(gai)點(dian)負(fu)荷(he)時(shi)，不(bu)會(hui)影(ying)響(xiang)其(qi)他(ta)傳(chuan)動(dong)點(dian)；同時還要考慮到調節負荷分配各點的輸出時設置輸出限幅，以免速差過大造成設備損害。
3．液壓壓力閉環控製
在zai國guo內nei多duo數shu紙zhi機ji中zhong，壓ya榨zha部bu加jia壓ya及ji卷juan取qu部bu主zhu臂bi加jia壓ya大da多duo采cai用yong手shou動dong閥fa操cao作zuo的de開kai環huan控kong製zhi，壓ya力li調tiao節jie精jing度du較jiao差cha，壓ya力li不bu易yi保bao持chi穩wen定ding。在zai本ben係xi統tong中zhong采cai用yong壓ya力li閉bi環huan控kong製zhi係xi統tong，不bu但dan使shi得de壓ya力li調tiao節jie精jing度du提ti高gao，而er且qie壓ya力li穩wen定ding，從cong而er對dui紙zhi機ji的de正zheng常chang生sheng產chan提ti供gong了le保bao證zheng。
設she計ji中zhong要yao得de到dao較jiao高gao的de控kong製zhi質zhi量liang，首shou先xian要yao對dui壓ya力li值zhi進jin行xing校xiao準zhun。由you於yu壓ya力li傳chuan感gan器qi本ben身shen的de非fei線xian性xing，因yin此ci可ke采cai用yong分fen段duan線xian性xing化hua對dui壓ya力li值zhi進jin行xing校xiao準zhun，即ji使shi得de現xian場chang壓ya力li表biao的de顯xian示shi值zhi和he操cao作zuo屏ping上shang的de顯xian示shi值zhi達da到dao一yi致zhi。一yi般ban而er言yan，可ke以yi把ba校xiao準zhun範fan圍wei分fen為wei三san段duan，因yin為wei壓ya力li傳chuan感gan器qi兩liang側ce線xian性xing較jiao差cha，而er在zai中zhong間jian段duan線xian性xing較jiao好hao。
對壓力值進行校準之後，通過PID控製算法實施壓力閉環控製，適當整定PID參數即可達到壓力的穩定輸出控製。實際設計中，壓力的實際值通過壓榨部S7-200輔助PLC采集後濾波處理並進行閉環控製程序設計，並將相應的數據通過DP總線送入主控PLC中，在通過操作屏進行顯示及參數設置。
另外，還要考慮到壓差自動抬輥，手動/自動切換，預壓/加壓控製等控製環節。
4．張力控製
根據紙機工藝要求，在施膠機前、壓光機前加入張力傳感器。張力傳感器將張力信號送入PLC，在操作台上的操作屏上進行張力設定，PLC根據張力設定值和張力傳感器的反饋值進行調節。保持張力恒定準確。並在操作台的操作屏上顯示實際張力。
張力傳感器檢測紙頁的張力信號送入S7-400 PLC內(nei)，根(gen)據(ju)在(zai)操(cao)作(zuo)屏(ping)上(shang)的(de)張(zhang)力(li)設(she)定(ding)進(jin)行(xing)計(ji)算(suan)，調(tiao)節(jie)其(qi)後(hou)傳(chuan)動(dong)輥(gun)的(de)輸(shu)出(chu)轉(zhuan)矩(ju)，維(wei)持(chi)紙(zhi)頁(ye)張(zhang)力(li)恒(heng)定(ding)，實(shi)現(xian)張(zhang)力(li)閉(bi)環(huan)控(kong)製(zhi)。在(zai)張(zhang)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)前(qian)加(jia)有(you)斷(duan)紙(zhi)檢(jian)測(ce)，出(chu)現(xian)斷(duan)紙(zhi)，可(ke)以(yi)自(zi)動(dong)退(tui)出(chu)張(zhang)力(li)控(kong)製(zhi)模(mo)式(shi)，自(zi)動(dong)轉(zhuan)為(wei)速(su)度(du)控(kong)製(zhi)模(mo)式(shi)。待(dai)紙(zhi)頁(ye)重(zhong)新(xin)引(yin)上(shang)後(hou)，斷(duan)紙(zhi)信(xin)號(hao)消(xiao)失(shi)，自(zi)動(dong)轉(zhuan)換(huan)為(wei)張(zhang)力(li)控(kong)製(zhi)模(mo)式(shi)。
PLC內采用PID控製算法，並帶有速度限幅，防止斷紙時出現飛車現象。PLC對張力傳感器信號進行分析，可以及時報警並有效預防張力傳感器故障對生產的影響。
張力控製可以通過操作屏選擇投入/退出功能。
5．自動換卷控製
要實現自動換卷功能，必須紙機的機械、液壓、氣動及電氣等各項指標都達到較高的控製精度和可靠性，否則可能造成設備及人員損傷。因此在卷紙機的相關部位共裝有23個接近開關，用來檢測卷紙機換卷過程中各部位動作到位情況。
在設計中采用“手動/半自動/全自動”三種控製模式。“手動”模式下，純粹以手動操作；“半自動” 模(mo)式(shi)下(xia)，整(zheng)個(ge)換(huan)卷(juan)過(guo)程(cheng)分(fen)為(wei)連(lian)續(xu)的(de)幾(ji)個(ge)階(jie)段(duan)，每(mei)完(wan)成(cheng)一(yi)個(ge)階(jie)段(duan)，係(xi)統(tong)檢(jian)測(ce)當(dang)前(qian)各(ge)部(bu)分(fen)是(shi)否(fou)到(dao)位(wei)，並(bing)給(gei)出(chu)提(ti)示(shi)信(xin)號(hao)，如(ru)果(guo)正(zheng)常(chang)則(ze)可(ke)繼(ji)續(xu)進(jin)行(xing)下(xia)一(yi)階(jie)段(duan)，否(fou)則(ze)係(xi)統(tong)報(bao)警(jing)提(ti)示(shi)，並(bing)停(ting)止(zhi)動(dong)作(zuo)以(yi)便(bian)操(cao)作(zuo)人(ren)員(yuan)處(chu)理(li)。“全自動”模式時，正常情況下係統完全自動運行，一旦檢測到某部分運行不到位，則立即停止動作並給出聲光報警提示，由操作人員進行處理。
設計中接近開關的檢測信號送入卷取部S7-200輔助PLC中，並通過DP總線送入主控PLC進行處理，在操作屏上顯示檢測信號狀態及提示信息等，配合操作人員及時掌握自動換卷運行狀態。整個自動換卷程序在輔助PLC中運行。
四、 項目運行
該係統自從2006年8月開始投入運行，經過一段時間的機械磨合期，操作人員熟練之後，係統的調速精度、動態響應、負荷分配調節效果、係統穩定性等各方麵指標均達到設計要求，滿足生產的需要，最終得到用戶的肯定。
五、 應用體會
通過上百套大中小型各類西門子PLC在紙機傳動係統中的實踐應用，驗證了其在工業現場的可靠性，靈活性以及方便易用性都具有很強的競爭力，特別是profibus dp總線其高速通訊性能，靈活的配置組態，現已成為國際標準總線之一，其在中大型紙機自動化控製係統中的應用也越來越廣泛。
參考文獻
[1]SIEMENS STEP7 V5.1編程手冊.西門子股份有限公司，1998
[2]深入淺出S7-300 PL.西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團.北京航空航天大學出版社，2004
[3]ACS800固件手冊 係統軟件7.X.北京ABB電氣傳動係統有限公司，2002
[4]紙機變頻傳動原理與設計.孟彥京.陝西人民出版社
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