PDM技術在高速紙機電氣傳動控制系統中的設計

朱忠杰

摘 要：針對高速紙機電氣傳動系統傳動點多、相互之間工作狀態聯系緊密，整個生產線控制設備、儀表設備及網絡狀態要求穩定、可靠、耐用，否則若其中某個傳動點、模塊通道、儀表及網絡發生故障，就會對整個抄紙流程連續性和現場設備以及人身安全造成威脅等特點，利用SIMATIC PDM技術對高速紙機電氣傳動控制系統進行自動化配置，起到提高整個抄紙過程工作效率、控制精度、節省生產線成本、預防和避免設備故障及危險和做到實時追蹤系統工作狀態的效果。

關鍵詞：PDM；造紙機；電氣傳動；診斷

引言

目前，造紙機（Paper Machine）不斷向著連續化、大型化、集成化、自動化、高速度、高負荷以及設備結構復雜方向發展，特別是高速造紙機，對電氣傳動系統穩定性要求越來越高。如何進一步確保紙機電氣傳動控制系統安全正常運行、做到系統預知性可視化維護、運行經濟且可操作，并具有良好的快速性、智能性，已成為提高紙機傳動控制系統效益、車速、穩定性和實用性的關鍵。SIMATIC PDM（Process Device Manager，過程設備管理器）是西門子公司開發的系統監控軟件，其可對現場智能設備（傳感器和執行器）和現場組件（遠程 I/O、多路復用器、控制室單元和緊湊型控制器）在線進行組態、參數分配、調試、診斷及維護。因此，本文鑒于生產實際對高速紙機電氣傳動控制系統可靠性、可視化監控的需求，利用SIMATIC PDM技術構建耐用、穩定及更小故障和停機的高速紙機電氣傳動系統，系統可以做到合理布局及減少構件，全時段保護系統數據、優化和監控控制系統的相關設備。

1 系統結構及工作原理

SIMATIC PDM提供了所有組態網絡中全部組態設備的總攬；過程設備網絡視圖則可以映射工廠拓撲并給相關設備對象分配參數，甚至監控PDM對象的網絡鏈接，使得如果某個對象已被其他用戶打開，它還可以做到顯示一條消息及指出打開對象的相應用戶和PC[6]。如圖1所示為本設計的紙機電氣傳動控制系統結構。

當系統啟動運行后，相應的傳感器采集有關的生產工藝等實時數據，并將數據送入PLC進行控制運算，得到的結果作為控制信號再送給變頻器等設備，從而實現電機調速和控制相應閥門。在系統啟動運行的同時，操作員站也會將自動化站的有關數據采集上來作相關的數據顯示、設定、和記錄來自過程數據庫的歷史數據等，這時操作員站當然也可將有關變量的設定值進行修改，修改結果送入PLC，達到實時控制設備的目的。并且操作員站中的PDM可對整個電氣傳動系統的控制器、通訊網絡及裝置、遠程I/O從站、現場儀表及執行器等進行在線實時調校和監視其工作狀態及對儀表的狀態進行評估，使得在儀表、閥門等徹底失效之前系統可以進行維護，從而減少系統因此造成的停機時間，這將大大提高整個紙幅電氣傳動控制系統的精度、可控性、穩定性和可操作性。

2 系統方案設計

以一臺10米抄幅1200m/min車速的新型高速紙機為例，其傳動控制系統的相關傳動控制點有1000多個，傳動線路復雜，控制回路多、負載多變、電機傳動也具有強耦合性。再加上由于紙機高速寬幅運行，傳遞紙頁薄而寬，特別是濕紙頁強度低，這就要求紙機各分部間傳動點動態平衡匹配性高、實時調整精度高。本設計利用SIMATIC PDM技術對高速紙機電氣傳動控制系統進行自動化配置，起到提高整個抄紙過程工作效率、控制精度、節省生產線成本、預防和避免設備故障及危險，甚至實時追蹤系統工作狀態的效果，從而避免紙機抄紙過程各部分間發生以下情況：①部件故障引起生產線生產率下降；②設備硬件老化導致硬件指標下降而造成紙幅斷頭現象，并同時需要重新引紙和調節相關參數，造成設備起機成本增加和系統數據重構；③生產設備故障或燒毀的潛在性，增大了投資危險；④無法保證設備24小時無人維護運行。進而可以在控制室里利用SIMATIC PDM對現場設備（壓力傳感器、速度編碼器、溫度傳感器、定量及水分測量儀等）進行調校，同時反映現場儀表、控制器、電機、通訊網絡等設備的工作狀態，并對其調試、維護、診斷和顯示工作，使得在儀表、控制器、通訊網絡等徹底失效之前就進行系統維護，減少了因此造成的停機時間，從而在控制室就可以實時維護系統運行的連續性、可靠性和穩定性。并采用PCS7平臺的CFC編程語言做控制運算來對紙機傳動控制系統程序設計，使得各分部速度鏈控制，負荷分配控制，張力控制進行集成，其中上位機在線實時檢測抄紙全過程工藝參數并歸檔分析，而且整個系統利用高效的現場總線冗余通訊技術來保障電氣傳動控制系統的通訊安全和質量，從而整個方案設計在保證高可靠性的系統配置下，利用PDM組件進一步對整個抄紙過程做運行網絡、現場儀表的在線監測，使工程師可以根據生產任務在控制室內就能進行硬件（儀表、電機等設備）參數調整、故障檢測和分析，無需到現場來調整儀表參數和拆卸儀表進行檢修。

3 方案實現

在裝有PDM軟件的工程師站中導入紙機傳動控制系統相關設備的EDDL（Electronic Device Description Language）文件，利用CFC編程語言實現抄紙運行各分部間電氣傳動控制的功能塊自定義，采用SFC編程實現順序、內部連鎖等控制邏輯及相關參數的可視化。并進行控制的安全連鎖設置和分配不同程序邏輯的優先級，及保證安全聯鎖一直有效。其中，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。在張力控制CFC子程序中[3]，張力實際值和張力設定值都換算為百分比的形式，根據不同紙種控制經驗值，設定其超調范圍，以減弱張力調節的動態震蕩。考慮由于系統中既有施膠、又有壓光機與卷紙機的張力控制，設計利用CFC程序組成干部張力鏈來對整個干部的張力進行協調控制。即設計可以在系統車速變化時隨時讀出這些經驗值做動態張力調節，減少了由于各張力點獨立調節時所引起的滯后，最大限度地減少了由于張力控制不協調而導致的斷紙。再此程序設計中還設有速度控制和負荷分配控制的切換，紙頁引入之前為速度控制，紙頁引入之后，轉為“速度控制+張力控制”。當然為了更好的適應工況變化，設計中負荷分配和速度鏈控制、速度鏈和張力控制既獨立又相互關聯，程序在張力傳感器前加有斷紙檢測，出現斷紙，自動退出張力控制模式， 轉為速度控制模式，待紙頁重新引上后，斷紙信號消失，自動轉換為張力控制模式，因帶有速度限幅，可以來防止斷紙時出現飛車現象，PDM又對各傳感器、控制器、電機、通訊設備等裝置運行信號進行分析并及時報警來有效預防相關裝置故障對生產的影響，這將大大提高本設計系統的自動化水平和穩定性。如圖2所示為該設計的軟件工作流程圖。

4 實際應用

依據現場情況，如圖3、4、5、6所示。在工程師站觀測到的項目中的某裝置在PDM軟件上的監測情況為例，PDM界面同時顯示了該對象的空間、距離、體積、電流值、設備狀態，同時還提供選擇輸出電流所對應的物理量，特別反映了設備回波的各項參數，如短發射的置信度、長發射的置信度、盲區、發射類型、實際的回波圖和TVT曲線，這樣工程師根據回波情況分析產生失波和虛假回波的原因便可做到設備故障的監測和處理。再加上由于PDM可以對儀表的損耗情況進行監督，包括設備運行時間、上電次數、儀表運行過程中出現的最高溫度及通訊狀態和設備狀態等。如是對整個紙機傳動系統的其他設備（電機、閥門、變頻器等）做該類似的參數設置與監測，這勢必對我們進行造紙設備管理及升級，資產評估，安全監督，投資危險防范等都有重要意義。

5 結束語

通過利用SIMATIC PDM技術對高速紙機電氣傳動控制系統進行自動化配置設計，實現了在控制室就能實時監控現場設備和抄紙全過程的設備參數數據，無需多次拆裝設備就能進行診斷，這對造紙業安全生產、減少維修人員工作量、合理投資及預防現場風險都有重要意義，甚至起到提高系統工作的效率、控制精度、節省生產線成本、實時追蹤工作狀態的效果，該設計必將充分保障我國造紙業生產的安全性、高效性及提升我國造紙機的自動化水平。

參考文獻

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