西門子S120在施膠機(jī)上的應(yīng)用和優(yōu)化(自動化)
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西門子S120在施膠機(jī)上的應(yīng)用和優(yōu)化(自動化)
湯 峰
（西門子中國有限公司上海分公司，上海，200082）
摘要：主要介紹了西門子S120驅(qū)動控制系統(tǒng)在造紙機(jī)施膠機(jī)傳動控制上的實(shí)現(xiàn)和調(diào)試，以及通過優(yōu)化去來實(shí)現(xiàn)高自動化高精度的生產(chǎn)過程控制。
關(guān)鍵詞：SINAMICS S120；速度控制；轉(zhuǎn)矩控制；負(fù)荷分配；優(yōu)化；張力控制
中圖分類號：TS77 DOI：10.11980/j. issn. 0254-508X．2016. 05. 013
隨著工業(yè)的發(fā)展，造紙設(shè)備趨向于更大型化，速度更快，自動化程度更高。對控制系統(tǒng)的控制精度和高自動化程度提出了更高要求。常規(guī)施膠機(jī)一般在閉輥或閉合施膠梁時需要人為地對施膠機(jī)速度或者張力進(jìn)行手動調(diào)整，并且也要手動對施膠后烘缸的速差或者張力進(jìn)行操作，既需要多人同時操作，控制精度又不高。本文主要介紹了西門子公司新一代S120驅(qū)動控制系統(tǒng)，通過優(yōu)化實(shí)現(xiàn)施膠閉輥、施膠梁打開和閉合的高精度、高動態(tài)、高自動化控制，從而減少操作人員的操作，減少斷紙，提高產(chǎn)量。特別是對帶有4個或者以上施膠功能的在線施膠的紙板機(jī)，由于紙板機(jī)機(jī)身比較長，使減少斷紙且操作快捷方便就顯得更為重要。S120替代了老一代的MasterDrive，與Mas-terDrive相比，S120具有更高控制精度和更高穩(wěn)定性，更人性的調(diào)試和診斷畫面，更豐富的端口連接，以及更便于維護(hù)的硬件結(jié)構(gòu)。
1項目簡介
亞太森博漿紙有限公司為了擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，投人大量資金建造了一條高檔包裝用紙生產(chǎn)線，施膠機(jī)是項目中的一個重要設(shè)備。紙幅寬度為4600 mm，施膠上輥直徑為800 mm，施膠下輥直徑為800 mm，導(dǎo)輥直徑為350 mm，設(shè)計車速1000 m/min，紙張定量170~ 400/m2，厚度200~490
m，緊度0.815~0.850 g/cm3。施膠機(jī)外形如圖1所示。
2施膠機(jī)工藝簡介
施膠機(jī)主要由上輥、下輥和導(dǎo)輥、用于上料的上施膠梁和下施膠梁、引紙繩和引紙轉(zhuǎn)換器組成。在紙幅正常傳送到施膠機(jī)之前，需要通過引紙繩和引紙轉(zhuǎn)換器把紙幅牽引到施膠機(jī)上。在引紙的過程中施膠輥是打開的，上下施膠梁跟上下施膠輥之間也是打開的。當(dāng)紙幅引到施膠機(jī)時，紙幅會擴(kuò)到全幅的狀態(tài)。閉合施膠輥，然后閉合上下施膠梁，這樣施膠液就會
隨著輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)動全部涂在紙幅表面。
3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
施膠機(jī)包含施膠固定輥（下輥），施膠移動輥（上輥），導(dǎo)輥，引紙繩，引紙轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)選用的是S120交流整成直流，然后直流轉(zhuǎn)化成交流的AC-DC-AC的硬件結(jié)構(gòu)。CU320通過DRIVE-CLIQ連接幾個逆變器。CU320通過DP的方式連接到S7 -400的控制器。直流母線到逆變器中間有預(yù)充電的開關(guān)相連。設(shè)計有安全開關(guān)便于現(xiàn)場維修，MP277 10inch用于現(xiàn)場操作�？刂破鞑捎玫氖�3塊416~2在同一個機(jī)架上并行，施膠機(jī)掛在第二塊CPU的一個網(wǎng)段上。上位機(jī)采用了一個工程師站和兩個操作員站，上位的控制軟件采用PCS7 V8.0 Updatel。
4速度環(huán)優(yōu)化分析和優(yōu)化過程
4.1速度環(huán)優(yōu)化分析
單回路矢量控制的傳動系統(tǒng)包含速度環(huán)、轉(zhuǎn)矩環(huán)和機(jī)械系統(tǒng)（積分：Tim）。一般來講，速度的設(shè)定是不會擺動的，給定要通過斜坡函數(shù)發(fā)生器。通過電機(jī)的發(fā)力去實(shí)現(xiàn)速度的跟蹤，速度環(huán)是轉(zhuǎn)矩環(huán)的外環(huán)。所以合適的負(fù)載響應(yīng)才能使電機(jī)和機(jī)械很好地同步。按照圖2系統(tǒng)方框圖和響應(yīng)圖（Kr—n是控制器的比例分量，T r—n是速度環(huán)的積分）來分析，一般速度環(huán)節(jié)躍響應(yīng)的超調(diào)量在43%左右。
電機(jī)和設(shè)備之間一般通過聯(lián)軸器（彈性）或者齒輪箱（齒間隙，彈性）連接起來的。所以電機(jī)和設(shè)備之間應(yīng)該存在扭轉(zhuǎn)的震動頻率。功能圖如圖3所示，開環(huán)傳遞函數(shù)如圖4所示，一般在大的設(shè)備中扭轉(zhuǎn)的震動頻率低于10 Hz。
理論上，通過測量負(fù)載的速度或角度，靠實(shí)際反饋的速度信號能使速度環(huán)穩(wěn)定，但在實(shí)際系統(tǒng)中需要有一定的方法找到合適的控制器參數(shù)值。
4.2速度實(shí)際優(yōu)化過程
(1)把一個小的階躍加進(jìn)速度環(huán)給定，設(shè)一個比較小的比例（如K p=3），找到震蕩頻率，通常設(shè)2~3倍震蕩周期的時間作為速度環(huán)反饋的濾波時間T2。階躍加入如圖5所示。
(2)讓速度環(huán)運(yùn)行在單純的比例控制下，不斷地增加比例值。當(dāng)速度環(huán)有稍微超調(diào)時的比例值是合適的值。比例增加曲線如圖6所示。
(3)設(shè)定積分時間。積分時間設(shè)定為PT1（速度反饋總濾波時間）濾波時間的4倍。如T f =50 ms，Te=5ms，積分時間設(shè)為220 ms。圖7中同時也顯示出有齒輪箱間隙的存在，齒輪箱間隙扭動頻率要低于輥的固定扭動頻率，這種齒輪箱間隙的距離才能從輥?zhàn)由享樌ㄟ^。
(4)設(shè)定速度給定的濾波和速度反饋的濾波為相同的值，防止在加速時出現(xiàn)加速同步的錯誤。施膠機(jī)下輥和上輥速度環(huán)優(yōu)化后的階躍響應(yīng)時域圖如圖8所示。
5控制的實(shí)現(xiàn)和補(bǔ)償
圖9為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
從圖9中可以看出，M65（下輥）是主輥，M66（上輥）是從輥，當(dāng)M65和M66閉合在一起時，M66進(jìn)入負(fù)荷分配模式。M65紙幅通過施膠機(jī)閉輥后自動投入張力控制，引紙繩M147是速差控制模式，引紙轉(zhuǎn)換器M152也是速差控制模式。操作人員可以在操作屏上對速差進(jìn)行操作。
施膠機(jī)的從輥負(fù)荷分配：主傳動速度調(diào)節(jié)器的輸出乘以負(fù)荷分配系數(shù)，減去從傳動速度調(diào)節(jié)器的輸出，然后乘以軟化補(bǔ)償量，加到從傳動的速度給定。負(fù)荷分配（軟化補(bǔ)償）如圖10所示。
當(dāng)紙幅從施膠機(jī)的壓區(qū)經(jīng)過時，上下輥對紙幅表面產(chǎn)生的力是相同的，F1=F2，力的分配如圖11所示。
實(shí)際應(yīng)用中是通過電機(jī)的發(fā)力來實(shí)現(xiàn)F1= F2，所以要通過齒輪箱的速比、輥的直徑、電機(jī)的功率來折算電機(jī)的扭矩T1、T2�？紤]到上下兩個輥的摩擦力不相同，所以各自的摩擦力應(yīng)該直接補(bǔ)償，摩擦力自動補(bǔ)償功能如圖12所示。上輥的摩擦力用Fx1表示，下輥的用Fx2表示。上輥直徑、速比分別用D1、i1表示，下輥直徑、速比分別用D2、i2表示。扭矩T1、T2的計算分別見式(1)、式(2)。
施膠機(jī)上料的上梁和下梁隨時可以打開和閉合（上料和停料），施膠輥在生產(chǎn)過程中也可能打開和閉合。輥?zhàn)娱]合或上下上料梁閉合，傳動負(fù)載在瞬間變化很大，若單獨(dú)靠速度環(huán)來調(diào)整可能需要速度環(huán)的調(diào)整周期，這樣速度變化很大。為了避免負(fù)荷波動導(dǎo)致速度波動，在閉輥或閉合上下梁時需要對主傳動和傳動進(jìn)行附加轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。實(shí)際補(bǔ)償圖如圖13所示。
通過實(shí)際曲線的負(fù)載變化值來進(jìn)行補(bǔ)償。由于在施膠后紙幅變濕，變濕后由于拉伸的原因紙幅伸長，所以對施膠機(jī)后的烘缸進(jìn)行速度的補(bǔ)償有些時候是必要的。
6張力控制的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化
6.1張力控制的實(shí)現(xiàn)
通過張力控制器的輸出，疊加到速度給定上，這樣傳動會根據(jù)紙張的實(shí)際張力來調(diào)整速度，以達(dá)到恒定張力控制的目的。張力控制圖如圖14所示。
張力控制應(yīng)在閉輥時自動投入，在施膠機(jī)打開時張力自動切掉。當(dāng)斷紙時施膠應(yīng)自動停止，同時施膠輥打開，張力自動切掉，主輥M65從張力控制自動切換到速度控制，從輥M66從負(fù)荷分配控制自動切換到速度控制。
6.2張力控制的優(yōu)化
有紙時張力在不斷調(diào)節(jié)，此時需要對張力調(diào)節(jié)器的PI進(jìn)行最優(yōu)化調(diào)整。在張力給定部分加入3%左右的擾動，張力調(diào)節(jié)器方框圖見圖15。同時在曲線中觀察實(shí)際張力值的跟隨情況，根據(jù)實(shí)際曲線不斷調(diào)整比例和積分值。直到實(shí)際值的曲線和擾動加入的曲線能夠跟上，有一點(diǎn)點(diǎn)的超調(diào)量為最佳的PI參數(shù)。張力控制響應(yīng)圖見圖16。
7結(jié)語
通過施膠機(jī)優(yōu)化，減少了操作人員的操作，降低了勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)率。項目連續(xù)運(yùn)行24 h，張力的穩(wěn)態(tài)精度小于0.5%，在帶紙加速或改產(chǎn)過程中，張力的動態(tài)精度小于4%。張力不投入的情況下24 h的速度穩(wěn)態(tài)精度小于0. 01%，帶紙加速或改產(chǎn)過程中動態(tài)精度小于0.05%，提供了很高的控制精度。整個項目從2014年6月投入使用以來一直處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，受到客戶的好評。
