造紙復卷機自動化控制與應用

陳聲海

摘 要：介紹了福建南平南紙有限責任公司6#紙機復卷機PLC、逆變器和張力傳感器等自動化產(chǎn)品之間的高精度配置控制系統(tǒng)，以及退紙張力和復卷力的控制功能。

關(guān)鍵詞：SINAMICS S120逆變器；張力傳感器；PLC；張力控制

中圖分類號：TS736+.1

文獻標識碼：A

DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2018.01.007

Automatic Control System and Its Application in Paper Rewinder

CHEN Shenghai

（Fujian Nanping Paper Co.，Ltd.，Nanping，F(xiàn)ujian Province， 353000）

（Email：menghaigz@163.com）

Abstract：The paper introduced the high precision configuration control system of paper rewinding machine， PLC， inverter and tension sensor， and the control functions of unwinding tension and rewinding force.

Key words：SINAMICS S120 inverter；tension sensor；PLC；tension control

1 復卷機簡介

福建省南平南紙有限責任公司自1958年成立至今有近60年歷史，一直致力于造紙行業(yè)。目前淘汰落后產(chǎn)能后，剩余6#紙機產(chǎn)能大約18 萬t/a，6#紙機是2008年引進的芬蘭美卓紙機，年產(chǎn)18 萬t高檔文化紙。復卷機引進的是QUATTROLL公司的產(chǎn)品，主要由退紙部、切紙部、復卷部和卸紙部組成（如圖1所示），復卷機最高車速2800 m/min，最大母卷寬度5340 mm；控制系統(tǒng)由西門子SIMATIC S7400、SINAMICS S120逆變器等組成。

2 工藝流程

復卷運行分3個過程：①紙幅的舒展，紙幅經(jīng)過退紙輥、舒展輥和導輥完成舒展。②紙幅的縱切，紙幅經(jīng)過圓刀、弧形輥和張力輥完成縱切。③把縱切的紙幅復卷成所需要的成品紙卷，紙幅經(jīng)過前后底輥和壓紙輥完成。3個過程是同時發(fā)生的，之間的關(guān)系密切。紙幅運行過程如圖2所示。

為了控制好復卷時紙幅的舒展和復卷，必須要精確地設定張力值，如果張力控制不好會引起紙幅波動、發(fā)生斷紙、端面不平和紙卷緊度松弛的質(zhì)量問題；而紙卷緊度又受張力、扭矩和壓紙輥壓力影響。所以在運行中，操作人員需要監(jiān)控紙幅的舒展、縱切和復卷，根據(jù)紙幅在復卷過程中的變化，可以適當改變運行參數(shù)。

3 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

主要技術(shù)參數(shù)：

復卷機設計車速2800 m/min；工作車速2600 m/min；最大設計張力850 N/m；交流傳動供電690/400VAC；MCC供電400VAC；PLC控制系統(tǒng)供電230VAC。

復卷機自動化基于SIEMENS S7400和遠程分布I/O（ET200S），CPU是S74162帶EEPROM記憶卡控制系統(tǒng)，通信靠SIEMENS PROFIBUS來完成，連接到許多傳感器和編碼器等自動化儀器儀表。現(xiàn)場操作由觸摸屏SIEMENS PC577和后臺PC端Wincc軟件分別控制，S7400控制系統(tǒng)如圖3所示。傳動變頻系統(tǒng)采用SIEMENS SINAMICS S120，復卷機與包裝車間通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信。傳動點共有5個，分別是退紙輥、縱切刀、前底輥、后底輥以及壓紙輥傳動電機組成。

復卷機自動處理所有的設定點、爬行、測量和控制。操作人員還可以設定以下參數(shù)到復卷機中：速度、張力、牽引力和減速時間。紙幅張力可從 WinCC 幾個畫面上調(diào)整，也可在卸紙臺旁的就地操作臺上調(diào)整；張力以數(shù)字、趨向和柱條值顯示（如圖4所示）。

復卷機的控制通過幅寬、定量、緊度以及壓紙輥壓力曲線和自動停車模式來操作；交流傳動的電機荷載和速度狀態(tài)也將數(shù)字和時間曲線顯示出來（包括碎漿機狀態(tài)，如啟動、運行、停止等）。電機啟停控制畫面如圖5所示。

4 張力控制

4.1 張力控制系統(tǒng)

復卷機張力分為退紙張力和復卷張力，二者通過退紙輥與前后輥之間的轉(zhuǎn)矩速度產(chǎn)生（如圖6所示）。轉(zhuǎn)矩由ABB張力傳感器（見圖7，張力傳感器安裝在縱切后的第二根輥梁下）測量得到后，測量信號直接傳到ABB PFEA113張力控制器（如圖8所示），再把信號送到 PLC S7400 顯示和計算，然后通過PROFIBUS總線送到 SINAMICS S120逆變器執(zhí)行。逆變器如圖9所示。

4.2 張力的形成

退紙輥電機處于張力控制狀態(tài)時， 紙幅張力設定值由復卷機控制系統(tǒng)傳給傳動系統(tǒng)；而張力實際值由安裝在縱切部位置的張力測量輥上的張力傳感器測量，其測量值經(jīng)過張力放大器處理后傳給傳動系統(tǒng)的CPU進行運算（如圖10所示），在運行中通過不斷地比較張力設定值和實際值間的偏差，采用張力閉環(huán)PID調(diào)節(jié)控制，計算出張力調(diào)節(jié)器的輸出值。將結(jié)果通過PROFIBUS總線送給退紙輥電機變頻器調(diào)節(jié)電機的輸出扭矩（如圖11所示），以確保整個復卷過程中恒定的紙幅張力，實際應用中的復卷張力曲線趨勢如圖12所示。從圖12可以看出，在升速和降速過程中，張力實際值和設定值相比有一定的偏離，這是因為在此過程中母卷轉(zhuǎn)動慣量和摩擦力的變化所致。在實際的復卷過程中，張力受紙幅直徑、密度、寬度、母卷變形情況等工藝因素的影響，所以，確保復卷機自控系統(tǒng)將這些參數(shù)準確地傳遞給傳動系統(tǒng)很重要。

張力PID控制執(zhí)行的是PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，是通過速度、直徑和實際測量的張力來調(diào)節(jié)PID控制調(diào)節(jié)器輸出的。正常復卷中速度和直徑在不斷變化，如果速度和直徑不加以補償，將會出現(xiàn)加速過程中張力偏小，減速過程中張力偏大。在圖13中看出，速度變化補償值、直徑變化補償值和張力測量變化補償值，分別輸入到速度補償模塊SPD_ADPT、直徑補償模塊DIAM_ADPT和張力PID調(diào)節(jié)控制器模塊中的IN，采用線性算法輸出OUT值。

復卷機運行時張力保持穩(wěn)定，張力影響著復卷機運行的穩(wěn)定性和成品紙卷的緊度。張力設定在畫面上可以看到實際曲線（如圖12所示），根據(jù)實際張力和速度的曲線變化調(diào)節(jié)張力的設定，以保持張力的穩(wěn)定性。

4.3 復卷力的形成

復卷力也稱復卷張力，是決定紙幅舒展好壞重要的因素，主要由前底輥和后底輥之間輸出的扭矩產(chǎn)生。后底輥的速度即為復卷機的運行速度，調(diào)節(jié)后底輥的扭矩設定，以保持退紙張力和復卷張力之間的平衡。

剛開始復卷時雙底輥復卷力占總張力的60%～70%，到復卷結(jié)尾時降到50%左右。從圖14可以看出復卷力大小與直徑成反比，也就是說直徑越大復卷力越小。

前后底輥設定的復卷力，經(jīng)過PLC模塊計算輸出扭矩傳給SINAMICS S120逆變器。圖15為前后底輥PLC扭矩輸出圖。

5 結(jié) 語

福建南紙6#紙機QUATTROLL復卷機自2009年10月投產(chǎn)以來，運行狀態(tài)良好，復卷出來的紙卷得到客戶的一致認可。復卷機控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，SIMATIC S7400 PLC、SINAMICS S120逆變器運行良好且故障發(fā)生率較低。6#紙機正常生產(chǎn)運行時車速基本保持在1300 m/min，所以，復卷機車速要保持在2000 m/min以上才能保證成品紙卷現(xiàn)場不積壓，也才能保證在計劃外故障停機的情況下有充足的時間去處理。根據(jù)運行8年來的生產(chǎn)實踐，證明該控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

參 考 文 獻

[1] SIEMENS SINAMICS S120 communication manual[S]. 2010.

西門子 S120 通訊手冊[S]. 2010.

[2] ZHANG Yungang， SONG Xiaochun， GUO Wuqiang. SIEMENS S7300/400 Technology and Application[M]. Beijing： Posts and Telecommunications Press， 2007.

張運剛， 宋小春， 郭武強. 西門子S7300/400技術(shù)與應用[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2007.

（責任編輯：常 青）