高速復卷機控制系統的研究與實現

郭艷萍，陳相志

（漯河職業技術學院 機電系，漯河 462000）

0 引言

雙底輥下引紙復卷機的卷取輥由前、后底輥構成，紙幅通過放卷輥產生的退卷張力卷繞到卷取輥上，將紙幅復卷成具有一定緊度和寬度的成品紙卷，如圖1所示。

圖1 雙底輥復卷機結構示意圖

復卷過程包括放卷控制、紙幅控制和紙卷結構控制，其中紙卷結構控制最重要。影響紙卷結構的主要是放卷輥與前后底輥之間產生的張力、壓紙輥的壓力和前后底輥的轉矩差[1]。

原復卷機采用直流傳動系統，模擬速度調節器參數易漂移，且在控制室和現場之間分布有大量的I/O電纜，造成復卷機的可靠性和精度不高，難以滿足與之配套的高速紙機的生產要求。隨著變頻技術和現場總線技術在造紙行業中的不斷推廣以及計算機技術和通信技術的結合，以PLC為控制單元，變頻器為執行單元的全數字現場總線控制傳動系統可實現復卷機傳動系統張力控制、壓力控制和負荷分配控制等要求。應用現場總線和通信技術, 上位機可以方便地實現與總線上任意一臺變頻器之間的串行通信；變頻器的應用改善了系統的動態性能，徹底解決了張力控制和負荷分配控制的難題，提高了系統的控制精度和可靠性。

1 復卷機系統控制方案設計

1.1 系統結構

根據復卷機的工藝要求，該控制系統由Profibus-DP總線構成單主從工作方式，如圖2所示。主站采用SIEMENS的S7-300PLC做控制器，完成對放卷輥紙卷卷徑、動態轉矩補償等的計算，完成壓紙輥壓區壓力控制并通過現場總線以實現對逆變器的控制及運行參數的讀取；從站為控制放卷輥電機和前后底輥電機的三臺6SE70逆變器和兩塊遠程ET200M輸入輸出模塊。放卷輥逆變器通過控制放卷輥的轉矩來保持紙幅的張力恒定，前后底輥逆變器通過控制前后底輥電機的轉矩差實現紙卷的結構控制。上位機采用人機界面OP270，通過ProTool軟件組態，共有10個畫面，可以實現手、自動常規生產操作和監控復卷機的紙幅張力、壓紙輥壓力、運行車速及傳感器的工作狀態，還可以通過畫面進行張力、壓力等主要技術參數的設定，畫面還有故障報警信息顯示、歷史數據記錄、報表管理等功能。

1.2 公共直流母線供電方式

圖2 復卷機控制系統結構圖

復卷機傳動系統由放卷輥電機、前、后底輥電機組成，這三臺電機分別由三臺變頻器控制。在同一時刻，系統中由變頻器驅動的電機有的處于電動狀態，有的處于發電制動狀態。處于電動狀態的電機要消耗能量，處于發電狀態的電機會產生能量，產生的能量如果不通過能耗制動單元以熱量的形式散發出去或通過能量回饋單元返回到電網中，就會導致變頻器制動過電壓保護動作，影響系統運行。如果能夠將處于發電狀態的電動機所產生的能量直接傳給處于電動狀態的電動機使用，那么能耗制動所浪費的電能或者能量回饋單元的設備購置費用就可以節省下來，因此，復卷機作為一個多電機傳動系統，采用公共直流母線的供電方式可以解決多臺電機間電動狀態和發電狀態之間的矛盾。

根據復卷機傳動系統的特點，變頻器主電路選用一個西門子整流/回饋單元和3臺逆變器構成，發電狀態工作橋通過一臺自耦變壓器和電網相連接[2]，如圖3所示。整流/回饋單元[3]不但能提供逆變器所需的直流電源，還能夠將處于發電狀態電機產生的電能送回電網（四象限工作）。在正常工作時放卷輥的逆變器處于整流工作狀態，即能量由電機回饋到直流母線上，而其他逆變器則均處于逆變工作狀態，將直流母線上的電能輸送到對應的電機中。這樣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。它與傳統的一個系統使用多臺單個變頻器的方案相比，具有節能、提高設備運行可靠性、減少設備維護量和設備占地面積等優點。

2 主要控制策略

2.1 放卷輥張力控制

在復卷過程中，為了展平紙幅，同時避免紙幅發生橫向偏移，必須使放卷輥與前后底輥之間的張力保持恒定，所以對放卷輥的控制主要是針對放卷張力的控制，而對放卷張力控制的關鍵是控制放卷輥電機的制動轉矩。若采用直接張力控制，雖然張力的控制精度得到了提高，但由于復卷過程中卷徑的不斷變化以及加減速時紙卷轉動慣量很大，因此直接影響系統的穩定性，造成斷紙或松紙[1]；若采用間接張力控制，雖然它可以對復卷過程由于卷徑和加減速變化引起的動態轉矩進行補償，間接地保持張力近似不變，易于系統穩定，但控制精度不如直接張力控制高。為此，采用速度、電流、張力相結合的三閉環控制系統[4]，如圖4所示。

圖3 公共直流母線供電方式

圖4 張力控制系統結構示意圖

復卷機在加減速階段，也就是建張階段，放卷輥電機要在電動狀態下工作以很快建立張力。在建張過程中需要投入速度調節器，系統為轉速電流雙閉環調速系統，PI調節器通過控制轉速間接控制張力，補償加減速造成的動態轉矩對張力的影響，避免張力振蕩，屬于間接張力控制系統；建張完成后，即張力偏差小于3%時，放卷輥電機要工作在發電制動狀態，此時速度調節器處于開環狀態，張力環投入工作，形成張力電流雙閉環系統，此時為直接張力控制系統[4]。

西門子6SE70系列變頻器內部提供了一系列可以自由選用的軟件模塊，它們可以通過參數設定插入到軟件的任一個軟開關中，非常方便地實現圖4所示的功能。首先通過變頻器軟件模塊的運算功能間接計算出放卷輥的卷徑和動態轉矩補償值，然后利用西門子變頻器的速度控制模式和張力控制模式對系統張力進行控制。當變頻器處于速度控制模式時，速度環的線速度給定應是隨著卷徑變化的量，它控制放卷輥的線速度跟隨車速的變化，同時將加減速變化引起的動態轉矩對張力的影響折算成一個動態轉矩補償值，與速度調節器的輸出疊加后提供給電流調節器，以控制放卷電機的轉矩；當變頻器處于張力控制模式時，將張力給定提供給張力調節器，以控制放卷電機所需的張力。這時讓變頻器的速度調節器處于飽和狀態，張力調節器的輸出作為電流環的限幅值，使電流調節器進行轉矩調節，產生所需要的張力。因此，在復卷機引紙及加減速時，變頻器運行在速度控制模式，但當系統張力實際達到設定值的60%時，它將通過PLC控制器自動轉換成轉矩控制并投入張力控制器，使張力能很好地跟隨設定值。

2.2 壓紙輥壓力控制

卷取輥上紙卷所受的壓力主要來自于壓紙輥的壓力負荷和紙卷自身的重量。在復卷過程中，紙卷的卷徑在逐漸增大，紙卷自身的重量也會隨之增加，如果此時壓紙輥施加的壓力不變的話，就會使成品紙卷越卷越緊，達不到良好的紙卷結構控制效果。因此，為保證復卷的成品紙卷具有外松內緊的良好品質，就必須借釋放壓紙輥施加的壓力負荷來補償上述兩項因素的影響，才能獲得成品紙卷與底輥的接觸點之間的壓力恒定的要求[5]。

壓紙輥的壓力控制由PLC完成，根據廠里經常生產的幾種紙種，事先把壓力與卷徑的關系曲線計算出來并設置程序存入PLC，卷徑信號由PLC從卷徑電位器讀取。壓紙輥壓力輸出信號由PLC輸出到電子放電器，電子放電器的輸出端口輸出到電液比例放大器的輸入端，經放大處理后控制電磁比例減壓閥的開度，繼而控制液壓缸內的油壓，就可得到不同的懸稱力，從而控制紙卷有適當的線壓力，并能隨著紙卷直徑和重量的增大而適當調整。

2.3 前后底輥負荷分配控制

紙卷的結構除了受壓紙輥壓力大小的影響外，還與前后底輥產生的轉矩差有很大關系。為了使復卷后的成品紙具有外松內緊的品質，不僅要求前后底輥電機要同步，還必須使前后底輥電機有適當的轉矩差，即對前后底輥電機產生的轉矩進行負荷分配控制。剛開始復卷時，前底輥電機的轉矩要稍大于后底輥電機的轉矩，使初始紙卷較緊，隨著紙卷卷徑的增大，前底輥轉矩逐漸減小，后底輥轉矩逐漸增大，當卷徑達到一定尺寸時，兩輥轉矩基本相當，此后后底輥轉矩略大于前輥，使紙卷卷得松一些。

由圖1可知，復卷機前后底輥電機軸之間沒有機械連接，它們是通過紙幅進行的柔性連接，因此可以分別調節[6]。兩個前后底輥又同時驅動一個紙卷，對于這種連接方式的多點傳動系統，可以使用變頻器的主從控制，前后底輥都采用西門子的矢量變頻器控制，前底輥為主傳動，后底輥為從傳動。西門子6SE70系列變頻器具有主從控制功能，利用其豐富的自由功能模塊和靈活的BICO技術，可方便地組態主從控制系統，如圖5所示。

圖5 主從控制系統組成框圖

在圖5中，將前底輥電機設定為主傳動，后底輥電機設定為從傳動，主傳動變頻器采用速度轉矩雙閉環控制模式；從傳動變頻器采用轉矩單閉環控制模式。西門子6SE70系列變頻器實現主從控制方式時，必須通過定義變頻器的控制字（P587）來定義變頻器的工作狀態，同時把主變頻器速度調節器的輸出（k0153）通過simolink通訊傳送到從變頻器作為轉矩給定信號（P486），使從傳動輸出的轉矩能很好地跟隨主傳動輸出轉矩的變化。在主從控制中，外部速度給定信號只與主變頻器相連接，主變頻器經由光纖simolink通訊控制從變頻器。

根據復卷機當前的運行狀態，從變頻器可以在速度控制模式和轉矩控制模式之間自動切換。當復卷機在穩速階段正常工作時，從變頻器的速度限幅器相當于開環，此時從變頻器處于轉矩控制模式，從變頻器跟隨主變頻器的轉矩給定；當復卷機處于加減速階段時，從變頻器自動切換為速度控制模式，速度限幅器輸出負值，加上來自主變頻器的轉矩給定，使內部的轉矩給定受到限制，以防止后底輥電機的轉速升高。從變頻器在兩種控制模式之間的自動切換不僅可以實現前后底輥電機的負荷分配控制，同時由于從變頻器有速度限幅器，還可以使從變頻器的運行速度很好地跟隨主變頻器的速度，避免發生飛車事故[7]。

3 結論

利用西門子6SE70系列變頻器的自由功能模塊，可以通過設定相關參數方便地實現復卷機的直接張力和間接張力相結合的復合張力控制策略和前后底輥的轉矩差控制策略。變頻技術和現場總線技術應用到復卷機交流傳動控制系統中，不僅降低了控制系統的工程成本，減少了工程設計和施工的工作量，而且提高了系統的可靠性和控制精度。變頻改造后，復卷機的運行車速可以達到1500m/min，且運行穩定、操作簡便，能夠滿足高速復卷機的控制要求。

[1] 郭艷萍.復卷機恒張力與負荷分配控制設計及應用[D].天津大學,2005.

[2] 王萬新,公共直流母線在交流傳動中的應用[J].電氣傳動,2002,32(5):P57-58.

[3] Siemens Electrical Drives Ltd.SIMOVERT MASTERDRIVES rectif i er/feedback unit operation instruction,2003.

[4] 郭艷萍.復卷機恒張力控制的設計及實現[J].電氣傳動.2009,39(2):65-67.

[5] 羅斌,王孟效,周紅.采用現場總線的全交流復卷機電控系統的設計與應用[J],電機與控制應用,2007,34(11):55-59.

[6] 向小波,朱勁.復卷機控制系統的改造[J].中國造紙,2003,22(11):41-43.

[7] 郭艷萍.負荷分配控制策略的分析與實現[J].中國造紙,2009,28(12):52-55.