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一、 項目簡介
山東德州興泰紙業公司是山東照東方紙業集團新建的具有國內領先水平的高檔板紙生產企業。其高檔板紙項目為國家經貿委批復立項的國家重點技術改造“雙高一優”項目。公司位于山東省平原縣龍門經濟開發東區，占地500余畝，總投資5億元，主要生產100-300g/m2環保型高檔工業板紙。設計生產能力為20萬噸/年。該項目采用日本、歐美等國家的先進的生產工藝設備，配置了國內先進的4400/450板紙機生產線，是國內生產規模最大的生產線之一。項目工藝以美廢(歐廢、國廢)，木漿為主要原料。可參閱下圖(一)。
圖(一)
該4200/450紙機傳動控制系統以西門子S7-400 PLC為主控制器，以5個S7-200 PLC為輔助控制器，同時配合5個OP270操作屏作為系統操作控制面板。由于該傳動系統共有傳動點40個，再加上主從控制PLC、操作屏，整個系統的節點數共有50個，必須采用高速通訊網絡來實現實時數據交換與控制，因此采用西門子profibus dp高速現場總線通訊網絡來構建整個傳動系統，從而保證系統反應迅速及時，并能可靠運行。
二、 控制系統構成
紙機控制系統的結構圖如下圖(二)所示：
圖(二)
系統為三級控制方式。
傳動系統第一級為變頻器控制級，變頻器采用ABB公司ACS800系列multidrive多傳動控制器，配有閉環控制編碼器反饋板，組成閉環控制系統。變頻器上還配有DP通訊板，與PLC組成PROFIBUS-DP現場總線控制網絡進行實時高速通訊。
傳動系統第二級為PLC控制系統，PLC采用西門子公司大型S7-400 CPU為414-2DP，操作控制選用西門子OP270操作屏。S7-400與變頻器、OP270操作屏以及S7-200輔助PLC組成PROFIBUS-DP現場總線控制網絡，完成整個紙機操作控制。
傳動系統第三級為上位優化控制系統，采用DELL公司工業控制計算機,用于整個紙機傳動系統狀態監控。上位機采用西門子組態軟件WINCC，可以通過工業以太網與QCS上位機、DCS上位機、車間管理級、廠級管理級等聯網控制，實現紙機傳動控制系統優化控制和自動控制。
三、 控制系統完成的功能
在紙機傳動控制系統中，根據工藝要求需要實現以下幾個主要的控制。
1．速度鏈控制
速度鏈結構采用二叉樹數據結構算法，先對各傳動點進行數學抽象，確定速度鏈中各傳動點的編號，此編號應與傳動單元(本系統為逆變器)中設定的地址一致。即任一傳動點由三個數據(“父子兄”或“父子弟”)確定其在速度鏈中的位置，填入位置寄存器相應的數值，從而構成整個速度鏈結構。
算法設計：
圖 (三) 速度鏈控制結構示意
如圖(三)所示我們把紙機第一分部點作為速度鏈中的主節點，即它的給定速度就決定整個紙機的工作車速，調節其給定速度就調節了整個紙機車速。在PLC內，我們檢測到車速調節信號則改變車速單元值，1點處的速度就為第一臺變頻器的運行速度設定值，將其送第一臺變頻器執行，并送給第二臺計算。第一分部的速度值乘以第二分部的變比b1/a則為第二臺變頻器的給定值。若第二分部速度不滿足運行要求，說明第二分部變比不合適，可通過操作第二分部的加速、減速按鈕實現，PLC檢測到按鈕信號后調節b1即調整了變比，使其適應生產要求。相當于在PLC內部有一個高精度的齒輪變速箱，可以任意無級調速。若正常生產中變比合適，某種原因需要用緊紙、松紙時，按下該分部緊紙、松紙按鈕，PLC將對應在速度鏈上附加一正或負的偏移量則實現緊紙、松紙功能。圖中2點就包含了調速和緊紙、松紙等操作指令的速度值，將它送給第二臺變頻器執行，同時送下一級計算。依此類推，構成速度鏈控制系統。速度鏈的分支設計采用父子算法，可以構成任意分支的速度鏈結構。
本速度鏈的設計不僅只是為實現紙機傳動控制要求，而且為后續的計算機優化控制提供了可能。在PLC內部有非常精確的傳動變比，我們設計為精度為0.001%，通過設定參數可以做到更高。這樣有精確的傳動變比上位計算機可以精確地記憶紙機傳動過程參數，當需要更換品種或車速時，上位計算機可以準確地將紙機運行參數傳入到PLC，由PLC執行，將紙機調整到當前工作狀態。
2．負荷分配控制
在紙機傳動控制過程中經常遇到由幾臺電機同時拖動同一負載的情況。例如壓榨部兩輥壓榨，上下傳動輥都有自己的傳動電機，通過加壓同步運行。所以類似這樣的傳動只有電動機速度同步并不能滿足實際系統的工作要求，實際系統還要求各傳動點電機負載率相同，否則會造成一個傳動點由于過載而過流，另一傳動點則由于被拖動而過壓，由此可能造成傳動單元報警甚至停機，影響生產。因此這兩個傳動點之間需要進行負荷分配控制。
負荷分配原理：在多電機傳動過程中要求各傳動點電機負載率相同，即δ=Pi/Pie相同（Pi為i電機所承擔負載功率，Pie為電機額定功率）。而且在負荷分配調節過程中不能影響其它各分部的速度。所以我們采用速度鏈主鏈與子鏈相結合的設計方法。
本系統中共有11組負荷分配傳動點。包括網部4組，壓榨部3組，烘缸部3組以及施膠部1組。PLC采集負荷分配點的運行轉矩，求出每組總的負載轉矩，根據總負荷轉矩計算負載均衡時的期望轉矩值，如下式：
其中： T是均衡時的期望轉矩值；
Pie是負荷分配各點的額定功率； Ti是各點的實際轉矩。
主控PLC由DP總線通過通訊取得各點的實際轉矩，通過上式計算出負荷均衡時的期望轉矩作為給定值，通過調節驅動單元的輸出，使各點的實際轉矩值趨向一致。在實際設計中，使負荷分配傳動點處于速度鏈的支鏈上，則當調節該點負荷時，不會影響其他傳動點；同時還要考慮到調節負荷分配各點的輸出時設置輸出限幅，以免速差過大造成設備損害。
3．液壓壓力閉環控制
在國內多數紙機中，壓榨部加壓及卷取部主臂加壓大多采用手動閥操作的開環控制，壓力調節精度較差，壓力不易保持穩定。在本系統中采用壓力閉環控制系統，不但使得壓力調節精度提高，而且壓力穩定，從而對紙機的正常生產提供了保證。
設計中要得到較高的控制質量，首先要對壓力值進行校準。由于壓力傳感器本身的非線性，因此可采用分段線性化對壓力值進行校準，即使得現場壓力表的顯示值和操作屏上的顯示值達到一致。一般而言，可以把校準范圍分為三段，因為壓力傳感器兩側線性較差，而在中間段線性較好。
對壓力值進行校準之后，通過PID控制算法實施壓力閉環控制，適當整定PID參數即可達到壓力的穩定輸出控制。實際設計中，壓力的實際值通過壓榨部S7-200輔助PLC采集后濾波處理并進行閉環控制程序設計，并將相應的數據通過DP總線送入主控PLC中，在通過操作屏進行顯示及參數設置。
另外，還要考慮到壓差自動抬輥，手動/自動切換，預壓/加壓控制等控制環節。
4．張力控制
根據紙機工藝要求，在施膠機前、壓光機前加入張力傳感器。張力傳感器將張力信號送入PLC，在操作臺上的操作屏上進行張力設定，PLC根據張力設定值和張力傳感器的反饋值進行調節。保持張力恒定準確。并在操作臺的操作屏上顯示實際張力。
張力傳感器檢測紙頁的張力信號送入S7-400 PLC內，根據在操作屏上的張力設定進行計算，調節其后傳動輥的輸出轉矩，維持紙頁張力恒定，實現張力閉環控制。在張力傳感器前加有斷紙檢測，出現斷紙，可以自動退出張力控制模式，自動轉為速度控制模式。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。
PLC內采用PID控制算法，并帶有速度限幅，防止斷紙時出現飛車現象。PLC對張力傳感器信號進行分析，可以及時報警并有效預防張力傳感器故障對生產的影響。
張力控制可以通過操作屏選擇投入/退出功能。
5．自動換卷控制
要實現自動換卷功能，必須紙機的機械、液壓、氣動及電氣等各項指標都達到較高的控制精度和可靠性，否則可能造成設備及人員損傷。因此在卷紙機的相關部位共裝有23個接近開關，用來檢測卷紙機換卷過程中各部位動作到位情況。
在設計中采用“手動/半自動/全自動”三種控制模式。“手動”模式下，純粹以手動操作；“半自動” 模式下，整個換卷過程分為連續的幾個階段，每完成一個階段，系統檢測當前各部分是否到位，并給出提示信號，如果正常則可繼續進行下一階段，否則系統報警提示，并停止動作以便操作人員處理。“全自動”模式時，正常情況下系統完全自動運行，一旦檢測到某部分運行不到位，則立即停止動作并給出聲光報警提示，由操作人員進行處理。
設計中接近開關的檢測信號送入卷取部S7-200輔助PLC中，并通過DP總線送入主控PLC進行處理，在操作屏上顯示檢測信號狀態及提示信息等，配合操作人員及時掌握自動換卷運行狀態。整個自動換卷程序在輔助PLC中運行。
四、 項目運行
該系統自從2006年8月開始投入運行，經過一段時間的機械磨合期，操作人員熟練之后，系統的調速精度、動態響應、負荷分配調節效果、系統穩定性等各方面指標均達到設計要求，滿足生產的需要，最終得到用戶的肯定。
五、 應用體會
通過上百套大中小型各類西門子PLC在紙機傳動系統中的實踐應用，驗證了其在工業現場的可靠性，靈活性以及方便易用性都具有很強的競爭力，特別是profibus dp總線其高速通訊性能，靈活的配置組態，現已成為國際標準總線之一，其在中大型紙機自動化控制系統中的應用也越來越廣泛。
參考文獻
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[2]深入淺出S7-300 PL.西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團.北京航空航天大學出版社，2004
[3]ACS800固件手冊 系統軟件7.X.北京ABB電氣傳動系統有限公司，2002
[4]紙機變頻傳動原理與設計.孟彥京.陜西人民出版社
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