造紙機水針控制系統參數測試與優化

李 超 雷海龍 徐 凱 耿青玲 孫馥明 張寶巖 王海祥

（1.廣東機電職業技術學院，廣東廣州，510550；2.牡丹江恒豐紙業股份有限公司，黑龍江牡丹江，157013；3.武漢船舶職業技術學院，湖北武漢，430050；4.佳木斯大學機械工程學院，黑龍江佳木斯，154007）

造紙機上的水針控制系統是控制紙幅幅寬的關鍵部分[1-4]，當紙機發生斷紙時，水針接收到斷紙信號，會自動橫向移動到設定引紙位置，為紙機重新引紙做好準備。待引紙工作完成后，水針自動返回到全紙幅位置。

傳統控制水針移動方式是通過限位開關進行定位，在紙幅幅寬范圍內設置1#、2#和3#引紙位，并且在操作側與傳動側設置極限位置。斷紙時，系統根據程序的設定，通過水針電機控制水針移動到引紙位，該方法引紙位置固定，無法在DCS上調整引紙位置和調節水針電機的速度，無法確認水針的運動方向，不能在DCS上位機上看到水針位移曲線及水針實時位置，而現有紙機個別子系統需應用水針位置反饋進行連鎖控制，因此僅通過限位開關和水針電機的控制方式無法滿足現代紙機控制要求。

現有水針控制方式是通過編碼器、變頻器、獲取水針的實時位置[5-6]，調節電機速度來控制水針移動，控制方法為變速單死區，即水針剛開始運動時為高速移動，即將到達設定位置目標值時變為低速移動；當水針進入設定位置死區時，水針電機停止轉動，水針因慣性繼續運動；當水針運動位置超出設置的死區位置時，水針電機啟動，水針朝相反方向運動，如此往復，直到水針最終停止在設置死區范圍內。變速單死區控制方法在實際應用中存在調整時間過長（即超調現象）調整位置與實際偏差過大等問題。當水針位置超出極限位時，大多通過人工手動復位，或降低水針移動速度等方法，以減小超調現象帶來的影響，但此時由于水針移動速度過慢，導致水針到達設定位置的所需時間較長，增加了斷紙時間，造成了紙漿的浪費，將無法滿足生產需要。

變速雙死區方法可減小水針位移與設定位移的偏差，縮短水針反應時間，提高紙機引紙效率。本研究的系統中設置控制雙死區，分別為高死區與低死區?？刂扑绤^是一個位移設定值，通過水針實際位置和設定位置的差值，與控制死區設定數值作比較，來控制水針的移動。水針從全幅位向引紙位移動時，若差值≥控制死區設定值，則DCS上位機繼續輸出控制命令，使水針繼續移動；反之DCS上位機停止輸出控制命令，水針停止移動。當電機高速運行時，控制死區為高死區；當電機低速運行時，控制死區為低死區。水針控制系統中設置的高、低死區數值不同，決定水針最終停止位置與設定位置的偏差大小，即定位偏差。

本研究采用變速雙死區方法，以控制低死區為例，針對合理選取控制低死區數值問題展開研究，通過多次實驗測試數據，找出控制低死區數值合理范圍；基于多項式擬合優化方法，建立水針位移與低死區數值的數學模型，求解出控制低死區數值，并通過生產應用驗證其合理性。

1 水針結構及控制邏輯

造紙機網部水針實物圖如圖1所示。水針結構示意圖如圖2所示。從圖2可以看出，水針系統由水針水泵、水針、行架、帶編碼器的移動電機和限位開關等設備組成[7]。水針水泵為水針提供高壓水，水針可在行架上實現左右移動，行架上根據生產需要設置有1#、2#、3#和4#不同的引紙位置，位置4#為水針的全幅位置，FS側限位為操作側限位，DS側限位為傳動側限位。

圖1 網部水針照片Fig.1 Photo of trim squirt of net

圖2 紙機水針結構示意圖Fig.2 Trim squirt structure of paper machine

本研究中水針系統程序設計采用ECS700系統的邏輯功能塊搭建[8-10]，主要采用變速雙控制死區的方法控制水針移動定位。當電機高速運行時，控制死區范圍為±A，即高死區；當電機低速運行時，控制死區范圍為±B，即低死區。

圖3為水針電機起停程序邏輯。如圖3所示，GE≥比較模塊，若差值≥a引腳連接的控制高死區數值A或低死區數值B時，GE模塊輸出1，則啟動水針電機并向FS側移動；LE≤比較模塊，控制水針電機向DS側移動啟動與停止。若移動范圍超出FS側限位和DS側限位，則水針停止移動。

圖3 水針電機起停程序邏輯Fig.3 Starting and stopping program logic of trim squirt motor

2 水針移動工作原理

以生產過程中出現斷紙，水針從DS側向FS側移動為例，即水針由全幅位置S移動到引紙位置S2的移動過程，水針移動過程如圖4所示。由圖4可知，斷紙后，系統接收到斷紙信號，水針設定位置自動變為S2，實際位置為S，水針實際位置與設定位置差值大于數值A，水針電機啟動，水針開始向FS側移動；由于控制邏輯設置，水針先高速移動，控制邏輯為高死區，數值為A；然后某時刻水針開始轉低速移動，同時開始延時25 s，期間控制邏輯依然為高死區數值為A；當水針實際位置S與設定位置S2差值小于控制高死區數值A，水針移動電機停止工作，水針由于慣性繼續向FS側移動；延時25 s后，控制死區轉換為低死區數值B，水針實際位置S與設定位置S2差值大于低死區數值B，水針移動電機啟動通過低速移動進行位置調整。經過調整后，水針移動電機停止工作時，水針停在接近S2的位置。本研究先通過高速高死區控制方法粗略使水針快速接近S2設定位置，然后通過低速低死區控制方法調整水針與設定位置S2距離，可使水針更接近目標設定位置。

圖4 水針移動示意圖Fig.4 Schematic diagram of trim squirt movement

3 死區數值參數優化分析

在生產過程中合理選擇高、低死區數值，可以較好地控制水針的最終位置，并盡可能地縮短水針反應時間。由于低死區數值B影響水針最終停止位置更直接，故以低速低死區數值B為例展開相關分析。在某次紙機停機后，準備開機時，自動化工程師給紙機設定引紙位置為FS側750 mm處為S2。因在實際操作中發現，當設置低死區數值B＞50或B＜10時，水針偏離設定位置S2更大，于是選取低死區數值B在10～50之間，公差為5，分9次進行實驗，分別檢測水針最終停止位置，數據如表1所示。

表1 不同低死區數值對應水針最終位置Table 1 Different low dead zone values correspond to the final position of the trim squirt

應用Matlab軟件中的曲線擬合工具，對9次實驗獲得數據基于多項式擬合優化方法進行擬合，得到1階、2階與3階擬合多項式，通過對比得到各個多項式擬合相關參數，如表2所示。SSE為擬合曲線的誤差平方和，越小說明模型選擇和擬合的更好；R2為擬合曲線確定系數，該值越接近1，表明方程的變量x對y的解釋能力越強，模型對數據的擬合程度越好。

表2 多項式擬合參數Table 2 Polynomial fitting parameters

由表1和表2可知，通過對比后發現，當擬合階數為3時，SSE最小，為29.1，R2=0.9912為最優擬合。因此選取3階擬合曲線進行水針實測位置檢驗，如圖5所示。

圖5 水針實測位置與擬合曲線Fig.5 Measured position and the fitting curve of the trim squirt

得到該曲線的擬合方程如式（1）所示。

通過式(1)可得，當水針位置f(x)=750 mm時，在點M處對應低死區數值x=28.36。在不影響正常生產情況下，生產中的控制參數盡可能使用整數原則，方便人員調整與記憶，所以選擇接近此數值的整數，即選取低死區數值B為30；同理，用同種擬合方法確定高死區數值A為200。

將得到的擬合數據應用到實際生產水針移動控制系統中，設置高死區數值A為200，設置低死區數值B為10～50來調節水針最終位置時，由于低死區數值B設置為40和50時，水針出現無法調節的現象，故分別繪制低死區數值B為10、20、30及變速單死區的水針移動位移對比曲線圖，如圖6所示。

圖6 水針位移對比曲線Fig.6 Trim squirt displacement contrast curves

由圖6可知，當低死區數值B為30時，從40 s后，水針位移曲線逐漸平緩接近設定值750 mm，在55 s時，水針位移停在744 mm位置，并且位置保持穩定不變，水針位移誤差為-0.80%；當低死區數值B為10和20時，位移曲線到達750 mm附近時仍有超調波動，并且停止位置與目標位置仍有約+26 mm和+18 mm偏差，水針位移誤差為+3.47%和+2.40%；當在變速單死區時，水針在40 s時開始出現超調現象，且現象明顯，持續時間約40 s，共用時80 s，最終停止在736 mm處，此時雖然水針可達到設定位置附近，但水針反應時間過長。

綜上所述，通過應用不同低死區數值進行對比，得到不同低死區數值條件下的水針位移曲線；生產過程中設置高死區數值A為200、低死區數值B為30，驗證了基于多項式擬合優化方法所得到的控制死區數值的合理性[7]；有效縮短水針反應時間，并提高水針位移與設定位移的偏差，可以更好地使水針到達設定位置。

4 結 論

本研究針對水針定位偏差問題，基于水針移動控制系統，采用變速雙死區方法，以控制低死區為例，針對合理選取控制低死區數值問題展開了研究；通過現場多次實驗測試數據，求解出了控制低死區數值合理范圍，基于多項式擬合優化方法，建立了水針位移與低死區數值的數學進階；選出了控制低死區數值，并通過實際生產應用驗證；選擇控制低死區數值為30時，水針偏差最小，與設定位置偏差為6 mm，誤差為-0.80%；可達到縮短水針反應時間，減小水針定位偏差的目的，有效地提高了水針反應的敏捷性和紙機引紙的高效性。