基于S7-300的多疊網流漿箱控制系統設計

李金文，王春艷

LI Jin-wen,WANG Chun-yan

（承德石油高等專科學校，承德 067000）

0 引言

隨著經濟的發展，瓦楞紙等包裝紙的需求量不斷增大，多疊網流漿箱也隨之在紙機中得到廣泛的應用。較單疊網相比多疊網流漿箱工藝要復雜的多，由于控制的點數較多，因而多疊網流漿箱控制系統的設計相對難度較大。本文采用西門子S7-300作為控制器，MPI網絡進行通信，完成了多疊網流漿箱控制系統的設計。

1 流漿箱的作用和工作過程

流漿箱是抄紙過程中的重要設備，是連接漿料制備和紙頁成形的關鍵部分，其作用就是產生穩定的上網漿流，保證紙張均勻度的特性，被稱為造紙設備的“心臟”[1]。氣墊式流漿箱結構如圖1所示。其工作過程是由沖漿泵將漿流送入流漿箱內部，經喉輥和堰輥勻整后，在氣墊的壓力和自身的靜壓作用下從堰口噴至網布，是一個不斷地送漿、勻漿和噴漿的過程。

圖1 氣墊式流漿箱結構圖

在生產的過程中進氣量一般通羅茨風機進行調節，進漿量一般通過沖漿泵進行調節。總壓（氣墊的壓力與漿位的靜壓之和）對噴漿的速度影響較大。一般在生產過程中車速對應的總壓可以通過“車速—總壓”表來獲取經驗參數，在控制的過程中主要的控制參數是總壓、液位、和漿網速比。控制的主要目標就是要穩定總壓和漿位。控制總壓的目的是為了獲得穩定的上網漿流保證紙頁的成形質量，控制漿位是保證流漿箱內漿料的充分的勻整，防止紙漿發生絮聚。

2 系統設計要求及分析

多疊網流漿箱控制系統的設計要求主要有以下五點：

1）系統能夠按照工藝的要求對三疊網或三疊網以上流漿箱進行精確的控制，同時能夠穩定總壓和漿位。

2）能夠實現按照工藝和生產的實際要求選擇控制，如要求僅任意多個流漿箱進行工作，其余流漿箱處于停止狀態。

3）從堰口噴出的漿流速度應能夠跟隨車速的變化自動調節，即總壓應自動跟隨網速。

4）人機界面友好，易于操作，能夠完成參數設置、數據的監控和交流及生產的統計工作。

流漿箱的數學模型是一個雙輸入雙輸出系統，輸入的是壓縮空氣和漿流，而輸出的是流漿箱的總壓和漿位，它們之間存在著一定的耦合關系，從理論上講神經元、模糊控制和仿人工智能控制方法等都能對其進行解耦控制，但這幾類方法的硬件實施都普遍價格昂貴。由于漿位的微小變化對控制的影響不大，可以允許在一定的范圍內波動。因此在工程上大多基于靜態解耦的辦法來進行控制，采用成熟可靠PID算法，控制方法如圖2所示。在單疊網流漿箱控制中，普遍采用西門子S7-200作為控制器。在多疊網流漿箱控制系統設計中，S7-200很難滿足控制要求。以三疊網為例， PID回路至少需要9條，而西門子S7-200系列最大能提供8條PID回路[2]，因此不符合應用的要求；而且S7-200提供的模擬量輸入模塊的點數較少，雖然可以進行擴展，但是CPU的承受能力也是有限的。而S7-300的系統功能塊FB41

提供的PID回路條數完全能夠滿足控制的要求，且S7-300的模擬量輸入的點數較多，如單個模擬量輸入模塊SM331的模擬輸入通道是8個，因此在設計中以S7-300作為控制器。

圖2 流漿箱的控制方法

多疊網流漿箱控制系統，分為進漿量調節系統和進氣量調節系統，對進漿量調節系統而言，是根據總壓的大小調節漿泵對應的變頻器，實現對漿泵的轉速調節，從而實現漿料的調節：總壓降低則上漿量增加，總壓升高則上漿量減少。進氣調節系統是根據漿位的高低調節羅茨風機對應的變頻器，實現對羅茨風機的轉速調節：漿位升高則增加進氣量，漿位降低則減少進氣量。

為了避免誤操作造成事故的發生，多疊網流漿箱選擇控制功能不在控制界面中實現，而是選擇在控制柜中由硬件實現。在DO模塊的輸出中加上切換開關，如果使用某個流漿箱就合上對應的開關，否則斷開對應的開關。

根據流漿箱的工作過程一般網速與總壓有如下關系：

其中P—總壓，單位kPa；

as—漿網速比,是介于0.9～1.0之間的一個常數；

V—網速，單位km/s；

g—重力加速度常數，單位是km/s2；

c—摩擦力損失系數。

根據此公式可以提出總壓跟隨網速的相關算法。

3 控制系統的配置及注意事項

3.1 控制系統的配置

電源模塊為CPU提供+24V工作電壓，數字量的反饋信號進入數字量輸入模塊，經程序判斷通過數字量輸出模塊啟動現場變頻器。來自現場的壓力、漿位、底網輥的模擬量信號進入模擬量輸入模塊SM331經過程序進行限幅、濾波及數據轉化最后送入各自的PID回路，經過相應的PID運算由模擬量輸出模塊SM332傳送到對應的變頻器。其中各個模塊在機架上的安裝順序如表1所示，型號如表2所示。

表1 模塊在機架上的安裝順序

表2 三疊網流漿箱的型號

控制系統硬件組態如圖3所示。

圖3 硬件組態圖

3.2 注意事項

流漿箱的壓力、液位變送器在安裝時分別安裝在流漿箱的傳動側和觀察側。由于兩種變送器都屬于兩線制電流輸出，現場安裝時必須注意對SM331的量程卡進行設置，將通道設置為兩線制電流。

因為現場的信號干擾嚴重，由變送器輸出的信號必須使用質量較好的屏蔽線，同時必須單獨接地。在控制柜中布線時，信號線與電源必須隔離以保證信號的質量。

由于造紙現場環境的惡劣，沖漿泵和羅茨風機的調速變頻器選用ABB公司的ACS800和ACS550，勻漿輥的調速變頻器選用ACS150。

4 通信與上位機控制

由DELL工控機、CP5611及電纜組成的MPI[3]通信網絡如圖4所示。

圖4 MPI通信網絡

該網絡的默認傳輸速率為187.5bit/s，工控機與控制柜之間的最大距離為50m,添加中繼器可使最大傳輸距離達到1000m[4]。該網絡中WinCC直接讀取CP5611(MPI卡)中的數據，不需要再增加任何輔助的中間軟件，結構簡單且硬件投入較少。WinCC組態軟件所作人機控制界面，主控界面如圖5所示，主控界面可以實現現場信號的實時監控和控制曲線的顯示，并能夠顯示現場設備的運行狀態，同時監控到不同流漿箱對應的網速狀態。

參數設定界面如圖6所示，可以對總壓、漿網速比等進行設定，同時能夠參照漿網速比為0.95時的車速-總壓表參考數據進行參數設定，并可以對漿位和壓力的物理值進行適當的補償。

圖5 多疊網流漿箱控制系統的監控畫面

圖6 多疊網流漿箱參數設定界面

5 結束語

本文在理論與工程實踐的結合基礎上，基于西門子S7-300PLC組成了一個多疊網流漿箱控制系統，在多個廠家的不同型號的流漿箱上投入使用，獲得良好的控制效果。經過多次工程實踐證實該系統具有較高的控制精度：總壓控制精度在±0.5%內，漿位控制精度2.0mm～1.2mm 范圍內。

[1]李茜,陳偉.氣墊式流漿箱控制方案仿真研究[J].化工自動化及儀表,2009,36(6):21-24.

[2]陳忠平,周少華,侯寶玉,李銳敏.西門子S7-200系列PLC[M].人民郵電出版社,2008.

[3]Siemens AG.S7-300產品目錄,2006.

[4]廖常初.S7-300/400PLC[M].機械工業出版社,2008.