復卷機退卷張力自動控制系統設計范文

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《中國造紙學報》2016年第一期

摘要:

針對復卷機工作時退卷張力控制難的問題，在分析了退卷張力對紙幅質量影響的基礎上，確定了退紙輥的控制要求并對控制方案進行合理選擇，完成了復卷機退卷張力自動控制系統的硬件和軟件設計。將公共直流母線結構應用于復卷機傳動控制系統中，能充分利用再生能量，提高復卷機運行效率;對退紙輥控制部分進行軟件模塊化編程，使其具有普適性。該退卷張力自動控制系統在實際中的運用效果較好，適當改動即可適用于多種復卷場合下退卷張力的控制。

關鍵詞:

復卷機;退卷張力;交流傳動;公共直流母線

現今對復卷機卷取工藝的要求提高了，體現在復卷機車速提高、紙幅幅寬變大及對退卷張力的控制精度提升，且復卷機在高速穩定運行狀況下長期工作也能夠節約成本。退卷張力會影響紙幅質量，需合理選擇退卷張力控制方案。退卷張力控制系統采用交流變頻傳動方式并配置公共直流母線結構，能合理利用退紙輥電機制動運行產生的能量;采用軟件模塊化編程控制退卷輥，可實現對退卷張力的精確控制，卷取出符合要求的高質量成品紙卷［1］。

1退卷張力控制要求

由復卷機結構(見圖1)可知，復卷過程中，紙幅在前后底輥帶動下從退紙輥卷取到紙芯上，成為成品紙卷。退卷張力為前后底輥與退紙輥間的紙幅張力，是由前后底輥與退紙輥之間的速度差引起的。紙幅在受到拉伸后會有一段彈性伸長，產生形變ΔL。同種紙幅的ΔL不變，退卷張力一定。紙幅復卷方式為中心卷曲的方式，隨著紙幅卷徑的實時變化，退卷張力也會發生變化。復卷過程中，隨著退紙輥上紙幅被卷曲到成品紙卷上，退紙輥上紙幅卷徑越來越小，而退卷線速度(v(t)=ω(t)×R(t)，ω(t)為退紙輥電機角速度，R(t)為退紙輥上紙幅半徑)保持不變，故需要對紙幅卷徑進行補償。這些說明退卷張力控制系統是線速度跟隨系統，應保持前后底輥和退紙輥速度差恒定，當紙幅卷徑變化時改變退紙輥轉速，以實現線速度恒定。根據卷取順序，對退卷張力控制系統的要求分為以下幾個方面［1-2］:(1)先引紙，此時前后底輥及退紙輥都低速運行，且前后底輥的速度略大于退紙輥速度，退紙輥處于正向電動低速運行狀態，保持一定的拖動張力。(2)引紙后，需將紙幅拉直，保持一定的靜張力，此時前后底輥停止，退紙輥處于投張狀態，此時退紙輥應是反向電動低速運行狀態，直至紙幅被拉平。(3)開始卷取，給定前后底輥速度，前后底輥之間進行負荷分配，使復卷機穩定運行，進行紙幅卷取。復卷開始和結束時分別會有一個加減速過程，為了防止退卷張力突變，必須進行S形曲線給定并設定加減速時間，使退卷張力變化平滑。(4)成品紙卷的形態需內緊外松，當成品紙卷直徑達到一定大小時，應適當減小退卷張力，以調整紙卷的硬度。復卷過程中，退紙輥電機正常工作時處于制動發電狀態，有時也會處于電動引紙狀態，且退紙輥線速度要跟隨前后底輥，退紙輥上紙幅卷徑的時變性以及外環境的擾動，使得對退卷張力控制的難度增大。對退卷張力的控制要求即使給定等于實際，不同工況下對退卷張力的要求也不同。不管基于何種工況，所設計的電控系統需滿足上述4點控制要求，避免出現紙幅斷裂、折疊等問題，才能卷取出符合要求的高品質成品紙卷。

2退卷張力控制方案

退紙輥上紙幅卷徑D的時變性會導致退卷張力F和退紙輥線速度v的時變性，所以退卷過程是動態過程。分析此動態過程可先從復卷機穩定工作時入手，再分析動態情況，以便對退紙輥進行控制。復卷機穩定工作時，給定后底輥速度，作為整個系統穩定運行時的基準速度，而退紙輥電機工作在制動發電狀態，退紙輥與前后底輥之間保持一定的速度差，使紙幅具有一定的張力。預設一個退卷張力作為復卷機穩定工作時的張力給定。以上對退卷張力的控制方式為間接張力控制。間接張力控制作為一個大調節，基本可以完成低要求下對退卷張力的控制，但無法達到很高的精度，因此，還需對退卷張力進行直接張力控制。直接張力控制是一種反饋控制，即通過張力傳感器檢測出實時退卷張力，并將此檢測值與給定值進行比較，偏差進入PID控制器，輸出退紙輥電機制動電流的微調量。直接張力控制與間接張力控制共同作用，可得到實時狀態下退紙輥電機的制動電流。選用的張力傳感器為ABB公司的PFTL101型張力傳感器，因傳感器感應電壓較小，需對信號進行放大、整流和濾波處理。采用張力控制板(型號為ABB公司PFTA101)對信號進行放大，輸出標準的DC5V信號。張力傳感器采集的信號通過張力控制板后輸出，5V的信號對應400N/m的紙幅退卷張力。使用可編程羅輯控制器(PLC)的模擬量輸入信號模塊以采集電壓信號并將此模擬量信號轉換成數字量信號，以進入PLC中數據處理和運算程序塊中。PID控制器根據采集來的反饋進行運算，得出退卷張力輸出值。退卷張力間接張力控制與直接張力控制共同作用于退紙輥電機，以達到對退卷張力的精確控制［3］。

采用逆變器對退紙輥電機進行控制時，在控制好退紙輥電機制動電流的情況下，使退紙輥角速度隨著紙幅卷徑的減小而增大。調速系統的性能取決于對電機轉矩控制的質量。直接轉矩控制方式采用定子磁場定向方式，對定子電流磁鏈和電磁轉矩進行直接控制，控制結構簡單，轉矩控制效果好。直接轉矩控制方式在復卷機交流傳動控制中起著不可取代的作用，其系統控制框圖如圖2所示。直接轉矩控制方式是在定子坐標系下建立交流電機的數學模型，采用磁鏈控制器與轉矩控制器分別直接控制電機的磁鏈和轉矩，它區別于復雜的轉子磁鏈定向方式。與模仿直流電機轉矩控制方式的電機轉子磁鏈分解方式比較，直接轉矩控制方式對轉矩的控制相對簡單且響應迅速。直接轉矩控制具體實施方式為:通過定子磁鏈觀測器檢測出電機的瞬時轉矩和瞬時磁鏈并作為反饋，采用轉矩和磁鏈兩位式調節器把轉矩檢測值和磁鏈值分別與各自的給定值進行比較，脈沖優化選擇器根據轉矩調節器和磁鏈調節器的輸出結果來對其內部脈沖開關做出最佳調節，把轉矩和磁鏈波動限制在規定的允許誤差范圍內［4］。逆變器接受PLC的信號給定，然后去控制退紙輥電機，以使電機達到相應控制目標。開始復卷前，需設定復卷過程不同階段的退卷張力值，該值通過操作屏輸入給定，包括:靜張力、引紙張力、運行張力等。利用帶有脈沖編碼器的逆變器檢測退紙輥電機的實時電流與轉速等，PLC讀取這些數據并保存。操作屏通過與PLC組態將這些數據顯示在操作屏上。

3硬件選型

3.1原始數據在設計復卷機退卷張力控制系統前，應掌握與該設計相關的基本數據，包括:退卷紙幅的寬度L、原紙卷的最大直徑dmax、退紙輥直徑dmin、成品紙卷最大直徑Dmax、紙幅單位張力Z、車速(紙幅線速度)v、退卷張力F、紙幅卷徑D及加、減速時間等。

3.2退紙輥電機選型復卷機主傳動的選型需考慮電機的調速范圍、功率、力矩是否滿足要求并實現性價比最優。復卷過程中，退紙輥上紙幅卷徑變化范圍大會導致退紙輥電機轉速變化范圍大，即要求退紙輥電機調速范圍寬。退紙輥電機傳動功率范圍受所需紙張的退卷張力、退紙輥的轉動慣量及電機加速和減速的影響。對電機選型時還應考慮電機轉矩范圍，即要求電機轉矩在電機啟動及加速等不同階段時均達到要求。

3.3硬件配置完成退紙輥電機選型后，需對復卷機退卷張力控制系統進行硬件配置。選用PLC進行數據存儲和計算，采用逆變器控制電機，通過操作屏進行數據寫入與實時數據同步顯示，采用現場總線通訊方式等。復卷機穩定工作時運行在高速、動態條件下，因此，采用Profibus-DP現場總線的通訊方式以保證系統響應的快速性。操作屏選用西門子鍵控式操作屏OP270，該操作屏帶有DP接口、以太網接口和USB接口，可方便使用鍵盤和鼠標對其進行操作;在操作屏上寫入的速度與退卷張力預設值通過現場總線方式傳輸進PLC，PLC將逆變器檢測的退紙輥電流與速度等傳輸到顯示屏上，方便現場人員觀測。PLC選用西門子公司的S7-300/400系列，其作為整個退卷張力控制系統的核心，連接操作屏，接受操作屏上的數據給定;連接逆變器，給逆變器控制指令，讀取并保存逆變器檢測的電機狀態參數值。PLC最重要功能是完成整個退卷張力控制系統的編程，這包括了數據給定與處理、前后底輥間的負荷分配、S形升降速、斷紙檢測等［6］。

3.4系統結構復卷機電控系統采用交流變頻傳動方式，配置公共直流母線結構給3個主傳動逆變器供電。供電單元裝置及逆變單元裝置均選用西門子公司產品。供電單元完成直流供電及將退紙輥電機制動時產生的能量回饋電網。逆變單元裝置主要控制方式為直接轉矩控制。復卷機穩定工作時，控制退紙輥的逆變器處于整流工作狀態，將退紙輥電機制動產生的能量回饋到直流母線上，此時若控制前后底輥的逆變器處于逆變工作狀態，可從直流母線上獲取電能。采用公共直流母線結構的交流傳動方式可將原本需通過能耗制動裝置消耗的電能用于驅動其他電機或回饋到電網，有效抑制了過流和過壓故障的發生，同時節約能量、提高復卷機運行效率。退卷張力控制系統的控制方式采用三級控制(見圖3)，執行單元為西門子6SE70逆變器;PLC作為控制核心，此外，需選用ET200起到對遠程I/O的控制(用于圓刀等傳動設備);上位機為OP270操作屏，其可作為人機界面。PLC、逆變器及OP270操作屏等通過PROFIBUS-DP通訊方式構成局域網絡［7］。

4軟件設計

4.1編程思路PLC需通過編程以實現由數據給定到控制實現:操作屏上輸入的數值經過一系列過程成為確定的退紙輥電機參數值，如制動電流、轉矩等。編程采用軟件模塊化編程的方式，該編程便于修改，普適性強。編程軟件為Step7，編程時需編寫功能程序，確定數據存儲位置，預設部分參數值并規定數據調用方式。退卷張力控制系統運行時，執行的主循環中調用功能塊和數據塊，以實現相應控制;每個功能塊對應退卷張力控制過程需求的不同功能，共同實現對退卷張力的控制［8］。退卷張力控制的流程圖見圖4。其中，數據處理是控制流程的核心，包括退卷張力限幅功能、尺度變換功能及控制算法等。數據處理的結果作為逆變器的控制指令信號，使逆變器控制退紙輥電機，達到復卷要求。(1)編程實現對給定的特定工況下的退卷張力進行濾波，運行張力需要濾波，而靜張力不需要濾波。(2)編寫張力斜坡程序，使退卷張力曲線平滑。為避免復卷過程中的急停等突發情況，要在操作屏上顯示加減速時間，以隨時對加減速時間進行設定與調節。編寫退紙輥電機轉矩動態補償程序，滿足加速或減速情況下退紙輥電機轉矩的要求。(3)編程實現對退卷張力進行限幅，根據特定工控下的紙幅卷徑，確定退紙輥電機輸出轉矩，使退卷張力符合規定的要求。(4)通過組態方式使操作屏顯示紙幅卷徑。(5)若復卷現場安裝有張力傳感器，主程序中需調用PID功能模塊并對其參數賦值，以實現直接張力控制，或直接與間接張力控制相結合。尺度變換功能模塊的作用是使寫入的數據能夠讓調速裝置接受。速度給定模塊的功能是使操作屏上給定的速度能夠傳給逆變器。速度給定模塊功能應包括對電機速度進行限幅與校正，并預設不同工況下的速度參考值，如引紙速度為15r/min;調速裝置內部若沒有集成積分器或S形函數，則電機轉速上升或下降不平滑，需編寫S形曲線速度給定程序。對現場邏輯開關的處理至關重要，邏輯控制功能塊可使操作按鈕與機器對應的操作相匹配。現場設立的單動/聯動、運行、急停等操作按鈕可方便工作人員操作。編程處理好現場邏輯關系是復卷機正常運行的基礎。

4.2軟件組態使用Step7編程時，必須選定通訊方式，確定PLC的具體型號以及連接的調速裝置等。此外，操作屏需與PLC進行組態，采用WinccFlexible軟件對顯示畫面進行編程，進入編輯界面后，選擇Step7編程軟件與之組態。操作屏與PLC建立連接后，可通過WinccFlexible軟件給變量賦值，建立描述畫面等。需要注意的是，操作屏與PLC建立連接后，畫面編程軟件中的變量地址需與PLC中該變量地址一致。

5結束語

作為交流傳動方式下的復卷機退卷張力自動控制系統，其優勢體現在編程靈活、運行快速可靠，展現出高動態、高精度的調速特性。觸摸屏作為人性化的操作界面，具有操作方便、高效實用的特點，使復卷機工作時的運行狀況一目了然。該系統運用于高速復卷機的復卷過程，能夠有效節約能量，提高運行效率。

作者：高光荻 康家玉 單位：陜西科技大學電氣與信息工程學院