基于西門子S7－400PLC的造紙機直接張力控制

　　摘要：為提高造紙機運行的穩定性。防止紙幅斷裂現象，從分析紙幅張力檢測的原理及方法出發，設計了基于SIMATICS7—400PLC的造紙機張力控制系統。詳細介紹了該控制系統的結構、硬件配置及其控制功能的軟件實現。將該控制系統應用于造紙機壓光部的實踐證明，該系統采用的速度控制+張力控制方式調節各傳動點之間的速度鏈關系及紙幅張力，較好地實現了紙機張力控制功能，取得了滿意的控制效果。
　　
　　在紙機的生產線上，為防止紙幅斷裂現象，需要保持紙幅張力的穩定，所以要對紙幅的張力進行控制。紙幅張力控制分為直接張力控制和間接張力控制，在大型、高速紙機中通常采用直接張力控制：即在各傳動部分的導紙輥上安裝紙幅張力傳感器用于檢測紙幅張力，再通過可編程控制器對紙幅張力進行控制，從而保持紙幅張力的穩定。
　　
　　1、紙幅張力檢測原理
　　
　　1.1紙幅張力檢測分析
　　
　　張力傳感器由特殊的剛性材料制成，使用時，將其安裝在紙幅導紙輥的支持軸承下方，它只對水平方向的張力起作用。其張力分析如圖1所示。　　　　
　　設紙幅張力為F，紙幅張力與水平方向的夾角分別為a和盧，FT為導紙輥和軸承的重力，Fv，FL分別表示豎直和水平方向的力，于是可得：
　　
　　FL=F(cosα--cosβ)
　　
　　Fv=F(sinβ—sinα)+FT
　　
　　根據傳感器的值F。就可以計算出紙幅的張力F。
　　
　　1.2張力傳感器工作原理
　　
　　以ABB公司的Loadcell為例介紹張力傳感器工作原理。該張力傳感器的結構及工作原理如圖2所示。
　　
　　張力傳感器的初級線圈和次級線圈正確通過傳感器的4個孔(其中初級線圈為激勵線圈，次級線圈為感應線圈)。在正常情況下(即無水平張力)初級線圈的感應磁場如圖2a所示，由于孔的合理放置，次級線圈無感應電壓產生。
　　
　　當水平張力F作用在傳感器上時，機械壓力就會導致磁場屬性發生變化，即初級線圈的磁場發生變化，從而就會在次級線圈中產生相應的感生電動勢，如圖2b所示。感生電動勢的大小及極性隨張力F的變化而變化，所以，通過測量感生電動勢的大小和極性就可測得張力的大小及方向。
　　
　　2、直接張力控制的硬件設計
　　
　　在大型紙機中，系統的控制性能必須達到很高的精度和穩定性才能保證紙機正常的運行生產，否則會對成品紙的質量造成較大影響。因此，要求紙機各傳動分部的速度必須同步。在閉環反饋調節單點傳動的基礎上，采用速度控制+張力控制的方式調節各傳動點之間的速度鏈關系及紙幅張力，從而保證速度同步。造紙機變頻傳動控制系統總體結構如圖3所示。　　　　
　　本系統以SIEMENS公司的SIMATICS7-400PLC作為主控單元；張力傳感器檢測傳動單元測量點數據送PLC擴展A/D模塊，再送至PLC內；操作臺選用SIMATICOP27彩色觸摸屏，方便人工操作和實時數據監控；PLC與變頻器通過PROFIBUS-DP現場總線完成通訊控制，變頻器執行PLC動作，控制電機運行且進行反饋閉環控制；上位機與PLC通過RS232協議通訊，實時對現場設備進行遠程控制和管理。
　　
　　在整個控制網絡中S7—400PLC是主站，與變頻器及現場觸摸屏采用PRoFlⅨ玲-DP總線實現高速通訊，完成整個紙機傳動過程中的速度鏈、負荷分配、張力控制等功能。PLC還接受上位機優化控制指令，可根據紙張生產品種自動調節各分部速度以適應生產需求，同時PLC將各分部運行參數送往上位機，以便及時了解生產狀況。
　　
　　3、直接張力控制的軟件設計
　　
　　程序設計采用模塊化結構，以子程序結構適時調用實現各種控制功能；程序采用循環掃描方式對速度鏈上的傳動點進行處理，提高程序執行效率；程序設計通用性強，并具有保護功能；人機界面友好、方便操作。主程序流程如圖4所示。　　　　
　　主程序通過PLC端口程序掃描各傳動點加、減、緊狀態，看是否需要進行負荷分配控制，再對張力控制信號進行分析，確定是否需要張力控制。張力控制信號是通過張力傳感器檢測傳動單元測量點所得到的模擬電流信號，經A／D轉換模塊寫入PLC主控單元，從而進行張力子程序控制。
　　
　　張力子程序控制流程如圖5所示。在張力控制子程序中，張力實際值和張力設定值都換算為百分比的形式，根據控制經驗值，其超調范圍一般可設定為5％。PLC每個程序周期采樣張力寄存器單元的數值，將實際值與設定值進行比較，實際值超調將調用加減子程序，進行速比求和后，再調用速度鏈子程序，使各個傳動點的速度趨于同步，從而達到控制紙幅張力恒定的目的。　　　　
　　4、直接張力控制的應用
　　
　　根據紙機工藝要求，一般會在施膠部、壓光部及卷紙部配置張力傳感器進行張力控制。紙幅經烘缸后含水量很少，伸縮性很小，而且壓光部要求紙幅平滑不抖動，以便順利進行卷紙，其本身也是重型負載，所以壓光部在高速狀態下，微小的速度偏差就極易產生斷紙。為此，以壓光部作為控制對象，對其實現張力控制的應用情況進行介紹，壓光機部分機械設計結構如圖6所示。
　　
　　在紙幅進入壓光機前的導紙輥上安裝ABB公司的webtensionloadcell張力傳感器，測量出紙幅張力并送PLC進行張力控制。壓光機的變頻控制采用速度控制+張力控制的復合方式，當紙幅還沒有到達壓光機時，只有傳動控制中的速度鏈起作用，張力傳感器此時不參與測量控制，當紙幅引入到壓光機后，調節壓光機速度使得紙幅張力接近設定張力的90％(經驗值)，然后再投入張力控制，此時投入張力控制的好處是避免由于張力調節過大引起紙幅波動造成斷紙。壓光機張力是通過調用張力控制子程序進行調節的，可在程序中設置張力初始值(為紙幅zui大承受張力的百分比)，如果實際張力值偏大，PLC調節速度輸出變小直至合適。同理，如果實際張力值偏小，可以調節速度輸出變大直至合適。從而達到利用程序內整定控制壓光機張力恒定的目的。
　　
　　上述設計可較好地實現壓光卷紙部分的速度+張力控制，但只適合于沒有施膠部分的紙機傳動系統張力控制。如果系統中既有施膠、又有壓光機與卷紙機的張力控制，那么就應該組成干部張力鏈來對整個干部的張力進行協調均勻控制。這主要是因為張力調節是相互影響的，即施膠的張力調節會影響壓光與卷取部分的張力控制，反過來壓光與卷取部分紙幅的張力會逐漸傳遞到施膠部，對施膠部的張力產生影響。干部張力鏈控制主要在軟件編程中實現：在施膠、壓光和卷紙等分部的張力控制PLC調節區中專門開辟出一些存儲張力比的存儲區，這些存儲區在系統張力調節平衡時記憶平衡態的各分部間張力比，在系統車速變化時可隨時讀出這些經驗值做動態張力調節，減少由于各張力點獨立調節時所引起的滯后，zui大限度地減少由于張力控制不協調而導致的斷紙。
　　
　　5、結論
　　
　　根據紙機生產工藝要求，設計了基于SI-MATICS7—400PLC的紙機張力控制軟、硬件系統。采用速度控制兼張力控制的方式調節各傳動點之間的速度鏈關系及紙幅張力，較好地實現了中、高速大型造紙機變頻傳動控制系統中的張力控制，從而滿足了系統高精度、高穩定性和高可靠性的性能要求。目前，該控制系統已在多家大型造紙企業生產線上得以應用，運行效果良好。