在紙機(jī)分部傳動(dòng)系統(tǒng)中, 多臺(tái)電機(jī)的同步傳動(dòng)控制(無論交流傳動(dòng)還是直流傳動(dòng)) 問題是傳動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵, 它直接影響系統(tǒng)的可靠性和控制精度, 影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。尤其是對(duì)于高速紙機(jī), 由于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能要求的提高和不確定因素的增多, 使得其同步傳動(dòng)控制問題變得更加復(fù)雜和困難。紙機(jī)的同步傳動(dòng)控制非常復(fù)雜, 具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面: ①系統(tǒng)變量多、參數(shù)多, 例如張力、速度、電流、電壓、負(fù)載等; ②交流電動(dòng)機(jī)的非線性; ③負(fù)載的不確定性;④多電機(jī)間性能的不匹配; ⑤多電機(jī)之間存在耦合。因此, 如何利用先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)紙機(jī)同步傳動(dòng)控制, 獲得最大同步傳動(dòng)速度, 提高紙的質(zhì)量和系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性, 已成為造紙企業(yè)亟待解決的難題和研究熱點(diǎn)。本文選用可編程計(jì)算機(jī)控制器(PCC-Programmable Computer Controller) 來組成分層遞階式交流變頻網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng), 大大節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間, 并提高了紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)通信速度與質(zhì)量, 穩(wěn)定性高, 實(shí)時(shí)性好且易于擴(kuò)展。
　　1 紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)
　　傳動(dòng)控制是整個(gè)紙機(jī)控制的基本回路, 其必須完成速度鏈控制、張力控制, 并需考慮負(fù)荷分配問題。以3400/ 250 牛皮白紙板機(jī)為例, 主傳動(dòng)共17 個(gè)傳動(dòng)點(diǎn), 包含芯網(wǎng)驅(qū)網(wǎng)輥、成形輥, 襯網(wǎng)伏輥、成形輥,面網(wǎng)伏輥、成形輥, 底網(wǎng)真空伏輥、驅(qū)網(wǎng)輥, 第1 導(dǎo)網(wǎng)輥, 真空吸移輥, 真空壓榨輥, 大輥徑壓輥( 4組) , 光壓下輥, 烘缸傳動(dòng)(4 組) , 施膠輥, 壓光機(jī)下輥, 卷紙缸傳動(dòng),總傳動(dòng)功率為1117kW。通過研究紙機(jī)傳動(dòng)控制的特點(diǎn), 選用PCC B&R 2005 組成分層遞階式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng), 其傳動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 分層遞階式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　PCC B&R 2005 采用模塊化結(jié)構(gòu)系統(tǒng), 這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是: CPU 為獨(dú)立模塊, 輸入、輸出、電源等也是獨(dú)立模塊。要組成1 個(gè)系統(tǒng), 只須將所需的模塊插入基板即可。它能通過現(xiàn)場總線PROFIBUS、CAN 組成控制網(wǎng)絡(luò), 也可以通過以太網(wǎng)ETHERNET 協(xié)議組成以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò), 組網(wǎng)非常方便。B&R 2005 帶有操作系統(tǒng), 更多的控制任務(wù)可以通過分時(shí)多任務(wù)處理, 增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；其編程可以采用高級(jí)語言, 如C、Automation Studio Basic 等, 能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法的編程。
　　紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的組織級(jí)由上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC) 來實(shí)現(xiàn), 完成整個(gè)傳動(dòng)控制的數(shù)據(jù)處理以及控制決策, 它與B&R 2005 通過ETHERNET 以太網(wǎng)接口相連。分層遞階式控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)級(jí)由B&R 2005來實(shí)現(xiàn), 它與另外的負(fù)責(zé)輔助傳動(dòng)控制的B&R 2005通過PROFIBUS 相連, B&R 2005 的NW150 模塊提供標(biāo)準(zhǔn)的PROFIBUS 接口。變頻器、電機(jī)以及各種傳感器執(zhí)行分層遞階式控制系統(tǒng)的控制級(jí)任務(wù)。變頻器通過CAN 總線掛接在控制網(wǎng)絡(luò)中。B&R 2005 的IF671協(xié)處理器提供1個(gè) RS232 接口、1 個(gè)RS485/ 422 接口和1 個(gè)CAN 接口。利用CAN 接口, 變頻器通過CAN總線掛接在控制網(wǎng)絡(luò)中。
　　2 速度鏈控制
　　根據(jù)造紙工藝要求, 紙機(jī)車速(v) 和抄紙定量(q) 之間存在下列關(guān)系：Δq/ q =Δv/ v (其中Δq 是定量容許公差范圍, Δv 是紙機(jī)車速容許公差范圍) 。為了保證紙的定量能夠在許可公差范圍之內(nèi), 要求紙機(jī)車速穩(wěn)定, 速度只能在一定的許可范圍內(nèi)波動(dòng), 通常生產(chǎn)時(shí), 紙機(jī)車速偏差Δv 不超過±( 1.5 %～1 %) , 紙板機(jī)車速不超過±(1.5 %～21 %) 。因此, 穩(wěn)定的紙機(jī)車速能保證紙的定量穩(wěn)定, 并避免斷紙及其他一些問題。紙機(jī)各個(gè)分部的線速度隨著紙的品種、抄紙速度、紙張水分含量等因素改變, 但在某一品種某一速度區(qū), 各個(gè)分部間速度的比例基本不變, 紙機(jī)前后各分部間速度是一種比例協(xié)調(diào)關(guān)系, 如圖2 所示, 前一分部速度是后一分部速度的Ki 倍。紙機(jī)傳動(dòng)還要保證能夠準(zhǔn)確地調(diào)整各個(gè)分部的速度。

　　圖2 各分部速度比例分布示意圖

　　紙機(jī)的速度鏈控制是整個(gè)傳動(dòng)控制的基本回路。舊式紙機(jī)用1 臺(tái)定速式變速的交流電動(dòng)機(jī)通過皮帶輪、減速裝置、齒輪等帶動(dòng)紙機(jī)各個(gè)分部。這就是通常所說的總軸傳動(dòng)方式, 現(xiàn)代化的紙機(jī)傳動(dòng)多采用分部傳動(dòng)方式, 即各個(gè)不同的分部都采用1 臺(tái)以上的電機(jī)傳動(dòng)。針對(duì)17 個(gè)主傳動(dòng)點(diǎn), 每臺(tái)電機(jī)配備1 臺(tái)變頻器, 采用德國LENZE 公司的Lenze93 系列高性能變頻器, 通過CAN 接口卡掛接在控制系統(tǒng)中。而且每臺(tái)電機(jī)都帶有每轉(zhuǎn)產(chǎn)生1024 個(gè)脈沖的增量式光電編碼器, 以完成速度反饋控制。
　　B&R 2005 通過檢測(cè)各輸入點(diǎn)的狀態(tài), 判斷升速、降速、緊紙、松紙及是否微調(diào), 并實(shí)現(xiàn)運(yùn)行、爬行,以及單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)等控制。速度設(shè)定值由上位工控機(jī)設(shè)定, 通過B&R 2005 提供的過程可視化接口( PVI-Process Visualize Interface) 進(jìn)入B&R 2005 ; 現(xiàn)場的增速、減速等信號(hào)由數(shù)字輸入模塊DI350 進(jìn)入B&R 2005 , 通過B&R 2005 的內(nèi)部計(jì)算補(bǔ)償輸出, 由CAN 總線進(jìn)入變頻器, 以達(dá)到調(diào)整變比的目的。
　　在分部傳動(dòng)中, 當(dāng)前一分部的速度變化時(shí), 不能影響其前面分部的速度, 只對(duì)后面分部的速度有影響。主傳動(dòng)的17 個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)都是通過CAN 總線和B&R2005 相連, 它們組成17 個(gè)CAN 從站點(diǎn), 編號(hào)從2 號(hào)一直到18 號(hào), 其中1 號(hào)站點(diǎn)已經(jīng)被作為CAN 主站的B&R 2005 所占用。在實(shí)現(xiàn)速度鏈時(shí), 排好號(hào)的站點(diǎn)的速度變化只影響后面站點(diǎn)的速度, 這樣通過CAN總線反映到各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn), 實(shí)現(xiàn)起來方便易行。由于使用了CAN 總線, 數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中高速傳輸, 當(dāng)速度給定值變化時(shí), 實(shí)際速度響應(yīng)快速跟蹤, 保證了控制的實(shí)時(shí)性。
　　由于卷紙部隨著紙卷半徑的逐漸增大, 整個(gè)輥的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也隨之變化, 此時(shí)若用普通的PID 調(diào)節(jié)器,已經(jīng)很難適應(yīng)參數(shù)不斷變化的需要, 所以此處選用模糊自適應(yīng)控制。
　　3 負(fù)荷分配
　　紙機(jī)的同一分部若有多個(gè)電機(jī)時(shí)還得進(jìn)行負(fù)荷分配控制。例如紙機(jī)的網(wǎng)部真空伏輥、驅(qū)動(dòng)輥、第1 導(dǎo)網(wǎng)輥和光壓上、下輥等, 各傳動(dòng)點(diǎn)之間要求速度同步的同時(shí)還要求負(fù)載均衡, 否則會(huì)影響正常抄紙。當(dāng)負(fù)荷不能均勻分布時(shí), 有可能撕壞毛布或造成斷紙; 另外, 負(fù)荷分配不平衡可能會(huì)造成某一個(gè)或多個(gè)電機(jī)過負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn), 有時(shí)速度過快的電機(jī)會(huì)拖動(dòng)速度較慢的電機(jī), 增加了電機(jī)負(fù)荷, 影響電機(jī)壽命, 甚至?xí)龤щ姍C(jī)[4] 。所以有必要在各個(gè)分部中的各自傳動(dòng)點(diǎn)之間實(shí)施負(fù)荷自動(dòng)分配控制功能。
　　傳動(dòng)控制要求各傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)負(fù)載率δ相同, 即
　　δ﹦Pi/ Pie(1)
　　其中Pi 為第i 臺(tái)電機(jī)所承擔(dān)的負(fù)載功率, P ie為第i 臺(tái)電機(jī)的額定功率。但是在實(shí)際控制系統(tǒng)中, 由于電機(jī)功率是間接量, 難以測(cè)量, 所以多以電機(jī)定子電流代替電機(jī)功率。其算式如下:

　　其中Ili為第i 臺(tái)電機(jī)的負(fù)載電流, Iei為第i 臺(tái)電機(jī)的額定電流, Il 為負(fù)載總電流。

 　　B&R 2005 通過CAN 總線從變頻器中讀取各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)的電流值, 其后進(jìn)行計(jì)算處理, 經(jīng)由CAN總線將控制變化量累加到原先的控制量上, 輸出給各個(gè)變頻器。另外, 各電機(jī)的電流通過B&R 2005 上傳給上位工控機(jī), 通過對(duì)電流的監(jiān)視, 判斷系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。由于公式(2) 是簡單線性化的結(jié)果, 若用在高速紙機(jī)中, 需要進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算處理。
　　4 張力控制
　　壓光機(jī)、卷紙機(jī)和復(fù)卷機(jī)需要進(jìn)行張力控制。張力控制的需求是由造紙工藝決定的。張力過緊會(huì)造成更多的斷頭和卷紙的錐形擠出; 張力過松會(huì)導(dǎo)致紙張塌陷, 影響紙的質(zhì)量和紙機(jī)的生產(chǎn)速度[5] 。張力傳感器將張力信號(hào)檢測(cè)出來送到B&R 2005 的模擬量輸入模塊AI775 , 構(gòu)成張力閉環(huán)控制以保持紙張的張力恒定。AI775 能接收0/ 4～20mA 的信號(hào), 分辨率是12位, 其接收的信號(hào)經(jīng)過標(biāo)度轉(zhuǎn)換和張力設(shè)定值運(yùn)算后, 通過張力調(diào)節(jié)器, 并經(jīng)過補(bǔ)償運(yùn)算疊加到速度設(shè)定值輸入上, 以達(dá)到調(diào)節(jié)張力的作用。此處的張力調(diào)節(jié)器功能完全通過軟件PID 模塊實(shí)現(xiàn), B&R 2005 操作系統(tǒng)自帶的LoopCont 庫中帶有此模塊, 只要設(shè)定比例積分和微分等時(shí)間常數(shù)并設(shè)定輸出的上下限, 濾波時(shí)間常數(shù)等就可以直接使用, 不必去編PID 控制程序。張力控制如圖3 所示。圖3 中ATR 模塊是張力調(diào)節(jié)環(huán), 采用普通的PID 調(diào)節(jié); ASR 是速度調(diào)節(jié)環(huán),采用參數(shù)自調(diào)整模糊控制, 及時(shí)調(diào)整量化因子和比例因子, 達(dá)到精確調(diào)節(jié)的目的。

　　圖3 張力控制功能示意圖

　　5 軟件編程
　　5．1 PCC 軟件編程
　　B&R 2005 型PCC 操作系統(tǒng)是分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng), 它是系統(tǒng)軟件的核心, 負(fù)責(zé)管理多個(gè)任務(wù)的并行執(zhí)行。PCC 提供了8 個(gè)具有不同循環(huán)時(shí)間不同優(yōu)先級(jí)別的任務(wù)等級(jí), 用戶可以根據(jù)實(shí)際需要, 為每個(gè)任務(wù)設(shè)定各自的循環(huán)時(shí)間和優(yōu)先級(jí)別[6] 。本系統(tǒng)PCC 中共有4 個(gè)任務(wù), 其任務(wù)等級(jí)如表1 所示。其中: 優(yōu)先級(jí)最高的是任務(wù)1 , 負(fù)責(zé)完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)如張力、定量等的采集; 優(yōu)先級(jí)次之的是任務(wù)2 , 負(fù)責(zé)完成同步補(bǔ)償控制算法和PCC 與現(xiàn)場控制設(shè)備之間的通信; 優(yōu)先級(jí)再次之的是任務(wù)3 , 負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)顯示, 對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高, 但運(yùn)行時(shí)間較長; 等級(jí)最低的是任務(wù)4 ,負(fù)責(zé)完成通信功能, 實(shí)現(xiàn)PCC 與工控機(jī)、人機(jī)界面等監(jiān)控設(shè)備之間的通信, 要求盡可能地快。在B&R 2005 系統(tǒng)中, 采用分時(shí)多任務(wù)處理, 各任務(wù)的循環(huán)執(zhí)行過程如圖4 所示。

　　表1 系統(tǒng)各任務(wù)等級(jí)的選擇

　　圖4 各任務(wù)的循環(huán)過程

　　若本系統(tǒng)由普通的PLC 來實(shí)現(xiàn), 各個(gè)任務(wù)都在同一個(gè)循環(huán)周期內(nèi), 由于用于顯示的任務(wù)3 占用的循環(huán)時(shí)間較多, 導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)時(shí)間大于任務(wù)1 所要求的循環(huán)時(shí)間, 這就難以保證任務(wù)1 數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性。而且如果用戶有新的要求, 則需要改變整個(gè)程序。PCC 由于采用分時(shí)多任務(wù)處理, 解決了控制實(shí)時(shí)性的問題。它的各個(gè)任務(wù)可以通過軟件掛起和投入運(yùn)行, 給查錯(cuò)或增加新要求提供了便利, 而且可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的順序控制。
　　5．2 上位機(jī)通信編程
　　上位工控機(jī)采用B&R Provit 5000 , 它可以用VB、VC及Runtime 組建功能強(qiáng)大、圖文豐富友好的上位人機(jī)界面; 或選用其他如組態(tài)王、開物組態(tài)軟件等常用的組態(tài)軟件, 這些軟件都帶有B&R PVI 的驅(qū)動(dòng),因此編程非常方便[6] 。采用B&R PVI (Processs Visualization Interface) 通過以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)與下位主控站B&R 2005 的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送交換; 從監(jiān)控站選用PanelWare 控制面板, 用Panel Studio 進(jìn)行畫面組態(tài), 方便實(shí)現(xiàn)局部設(shè)備的控制操作。
　　本程序的主監(jiān)控界面有4 個(gè), 包括主傳動(dòng)速度鏈控制界面, 輔傳動(dòng)控制界面, 實(shí)時(shí)曲線界面和報(bào)警記錄界面。主傳動(dòng)速度鏈控制界面主要由17 個(gè)主傳動(dòng)點(diǎn)的速度、電流、電壓等顯示部分和整個(gè)紙機(jī)的控制信號(hào)如爬行、運(yùn)行等組成。在主傳動(dòng)速度鏈控制界面中,點(diǎn)擊各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn), 進(jìn)入各傳動(dòng)點(diǎn)的數(shù)據(jù)顯示和操作區(qū)。這部分包括: ①張力值設(shè)定和頻率實(shí)際值顯示。②頻率值設(shè)定和頻率實(shí)際值顯示; 變頻器的參數(shù)部分包括:站點(diǎn)號(hào)、參數(shù)值設(shè)定和參數(shù)值讀取; 控制部分包括: 啟動(dòng)、停止, 正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn), 單動(dòng)、聯(lián)動(dòng), 改變、禁止等。要改變變頻器參數(shù)時(shí)必須先按“改變”控制按鈕, 應(yīng)用程序才允許用戶改變參數(shù)。若不想隨便改變參數(shù)和頻率, 按下“禁止”按鈕即可封鎖所有針對(duì)參數(shù)的操作。如果應(yīng)用程序在進(jìn)入時(shí)設(shè)置密碼管理部分, 可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和管理的安全。輔傳動(dòng)控制界面基本上和主傳動(dòng)控制界面相似。實(shí)時(shí)曲線界面是各種實(shí)時(shí)曲線, 可以通過這些曲線監(jiān)視系統(tǒng)的穩(wěn)定性。報(bào)警記錄界面主要記錄和顯示各種報(bào)警事件, 并顯示相應(yīng)的原因, 給檢修提供依據(jù)。上位工控機(jī)和下位B&R 2005 的數(shù)據(jù)交換通過PVI 接口, 其數(shù)據(jù)傳輸過程如圖5 所示。

　　圖5 實(shí)現(xiàn)變頻器在線監(jiān)控過程

　　6 結(jié)語
　　分層遞階式控制系統(tǒng)和先進(jìn)控制器PCC B&R 2005 的應(yīng)用, 成功實(shí)現(xiàn)了紙機(jī)高精度的同步控制，達(dá)到了控制和管理的目的。這種分層遞階式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰, 責(zé)任明確; B&R 2005 不僅具有系統(tǒng)的高速響應(yīng), 而且采用定性多任務(wù)分時(shí)操作系統(tǒng), 使整個(gè)系統(tǒng)得到了優(yōu)化, 具有較好的實(shí)時(shí)性, 易于實(shí)現(xiàn); 使用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò), 穩(wěn)定性高, 數(shù)據(jù)傳輸快, 提高了控制精度。