基于S7- 400PLC的三盤磨漿機控制系統的應用與實現(自動化)

                 湯  偉^1，2  邱錦強^1，2， *  劉慶立²  胡連華^1,2

（1．陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西西安，710021；2．陜西科技大學自動化研究所，陜西咸陽，712000）

摘要：以制漿生產線為背景，以三盤磨漿機為主要控制對象，基于S7 - 400PLC、Profibus-DP總線、工業以太網通信技術構建DCS，實現對磨漿機的全自動控制。實際運行效果表明，該方案不僅進刀時間短、調節速度快、超調量小，而且可以有效地保護盤磨機的磨盤．

關鍵詞：盤磨；占空比；恒功率

中圖分類號：TP273   DOI: 10．i1980/j．issn．0254-508X．2016. 05. 010

    打漿是制漿造紙過程中的一個關鍵環節，通過改變纖維的物理結構和物理化學行為來改善纖維特性，從而使抄造的紙張具有一定特性。由于原料多種多樣，同時打漿過程中還存在著很多擾動，這些因素會影響成漿質量，因此有必要對打漿過程進行自動控制。

    對于打漿控制已研究了很多先進的控制方式，鑒于成本、硬件穩定性、算法實現性的考慮，國內的打漿控制在很長的一段時間內仍然是以恒功率控制方式為主。恒功率控制也稱棒。棒控制，控制流程是根據公式計算得到2個門檻功率，低功率段快速進刀，高功率段慢速進刀，設置的慢速進刀的占空比是快速進刀占空比的1/4。但是恒功率控制方式具有粗略、開環的缺點，其控制效果不穩定，其設計的門檻功率也讓系統的參數整定變得更困難。本課題針對該缺點對控制方式進行改進，設計了基于S7- 400PLC的三盤磨漿機控制系統，本文對此進行介紹，以供參考。

1三盤磨漿機控制系統

1.1控制原理

    在穩定控制紙漿濃度和流量的基礎上，通過檢測打漿設備主電機功率傳感器，動態地對打漿設備的刀距進行調節從而實現對三盤磨漿機設備的控制。

    通過調節出口定盤的移動，使動盤兩側產生壓力差，從而間接調節動盤的移動，達到調節盤磨間隙的目的。間隙調節裝置為渦輪蝸桿調節裝置，調節電機為0. 25 kW的變頻器專用VPWM電機。在工業過程控制中，常規的PID控制器因為其自身特性占據了95%的工業過程，但是其最大的缺點就是PID參數難以整定，并且一般情況下都會產生超調，而進刀過大，使磨盤間隙過小，嚴重時會發生碰刀事故，顯然在盤磨機進退刀的控制上超調非常危險。

    但是簡單的恒功率控制不夠靈活，對紙漿濃度、流量等其他因素的變化比較敏感，不能簡單有效地控制盤磨機。為此筆者在項目中結合具體設備，對恒功率控制進行改良，設計了隨功率變化的脈沖控制器。

1.2脈沖控制器的設計

    為了使盤磨機從啟動開始迅速進入到正常磨漿狀態，將整個過程分為3個階段進行控制。同時需要確定3個功率值，分別是空載功率P₀、有效功率P_R正常工作功率P_W?？蛰d功率即盤磨主機電機空轉未拖動負載時的功率；有效功率是快速進刀階段后盤磨機的主電機功率；正常工作功率是滿足工藝要求（一般為打漿度指標）的情況下，盤磨機主電機的工作功率。

    盤磨機啟動過程如圖1所示。由圖1可以看出，盤磨機啟動過程分3個階段：①主電機啟動至穩定狀態。由于三盤磨漿機配用的主電機功率較大，需要通過軟啟動器啟動，當主電機開啟之后，功率穩定在空載功率P₀時，才能夠開啟上漿泵。避免漿料泵送過早導致主電機帶負載啟動而導致啟動失敗。所以此階段，盤磨機功率設定為空載功率P₀。②主電機功率上升到有效功率P_E階段。上漿泵啟動之后，盤磨機開始進料，此時盤磨機主電機功率開始上升，當流量、壓力、濃度等過程變量都上升至最低打漿界限時，調節電機開始進刀，功率開始上升。三盤磨漿機的定盤及動盤的初始磨盤間隙較大，盤磨機的空轉、機械摩擦、紙漿的泵送以及漿料溫升消耗了大部分的功率。有效功率P_E是這些損耗功率的和，當盤磨機主電機功率超過有效功率P_E時，對漿料才有打漿效果。③進入正常工作功率階段。當盤磨機主電機功率達到有效功率P_E時，停止進刀，進退刀的選擇、快慢速的切換由控制算法決定。此時，動盤與定盤間隙較小，為了保護磨盤，同時為了保護這個階段控制器控制效果的平穩性，功率設定值不能突變，而是沿著斜坡攀沿上升的。這樣可以保證實際功率也是平穩上升的。

    由上述3個階段可以看出，盤磨機控制中，最重要的是由有效功率P_E過渡到正常工作功率Pw的過程，如何保證這一階段平穩安全并且準確地到達設定狀態，是盤磨機控制的難點也是最重要的一部分。

    為此，專門設計了盤磨機進退刀控制算法，定義了誤差百分比e，其定義公式見式(1)。

    式中，e代表實時功率值與設定值的差值在整個量程中所占的百分比，SP為設定的正常工作的磨漿功率，PV為盤磨機主電機實時功率，SP_MAX為盤磨機主電機的最大功率。

    e越大則代表盤磨機的當前功率距離設定的工作功率的差值越大，所需要的脈沖的占空比越大；e越小則表示越接近工作狀態，進刀脈沖占空比不能過大。因此，e值的大小就可以表示盤磨機當前狀態下需要進行進退刀行程的大小，可以e為核心變量構建脈沖控制器。

    隨著工藝要求的不同，磨漿所需要的功也是隨之變化的，但是盤磨機主電機功率范圍是固定的(0—375 kW)。使用設定值與實時值的差值絕對值與測量范圍的比值進行脈沖觸發器的構建，可以避免在設定值不同時產生不同的控制效果。

    之后，在e的基礎上構建占空比（一般用q表示）函數。設計原則是當e值越小，變頻器輸出給調節電機的脈沖占空比越小。當e值接近設定值時，設計一個固定占空比為1/10，并且在設定值附近設計一定的死區。

    設計脈沖基本長度為2s，經過調試得到用于調節間距的占空比表達式見式(2)。

    式中，q表示的是輸出脈沖的占空比。

    當SP值不變時，隨PV值逼近SP值時，以一次調試過程為例，脈沖占空比隨PV的變化如圖2所示。

    在功率從有效功率P_E (160 kW)上升到正常工作功率P_W (308 kW)的過程中，隨功率上升，變頻器輸出的脈沖占空比不斷減小，且工作狀態為慢速進刀。在靠近PE時，占空比會保持在0.1，這是因為在調試過程中發現，過小的脈沖不足以驅動間隙調節機構。當實時功率稍微超過設定功率時，調節機構慢速退刀，使盤磨機維持恒功率打漿。

    另外，在軟硬件上設計了諸多連鎖來保護磨漿設備，主要包括：密封水流量小于最小值；盤磨機進料口壓力小于低限，出料口高于高限；盤磨機出口漿溫超限；盤磨機流量上下限；功率變送器離線報警。

2  盤磨機控制運用

    上述的三盤磨機控制系統已經成功地應用于河北保定某衛生紙廠的生產線。該生產線以3臺盤磨機和多圓盤為核心，結合原有生產線的白水組成了一條集制漿、纖維回收為一體的紙漿生產線。

2.1  盤磨機系統的組態實現

    整條生產線以S7- 400PLC為核心，Profibus-DP總線以及工業以太網組成3級DCS，具體系統組態拓撲結構如圖3所示，通過從站ET200上的I/O擴展模塊與現場的三盤磨漿機、多圓盤及其外圍儀表設備進行數據交換。主站支持硬件冗余，通過Profibus-DP總線電纜與從站通信。主站與上位機監控系統通過雙絞線連接。上位機監控系統包括2個操作員站、1個

冗余操作員站和1個工程師站。

    上位機監控系統采用PCS集成的WINCC7.0組態軟件設計，主要包括備漿流程顯示、盤磨運行狀態監視、多圓盤運行顯示以及報表系統。操作員站A、操作員站B分別對盤磨機和多圓盤部分進行操作和監控，加上冗余操作員站，三者之間畫面均可以無擾切換，保證突發情況下系統的正常運行。

    具體盤磨機運行狀態畫面如圖4所示，單臺盤磨機需要用到的是參數設置，調節電機狀態和報警信息。參數設置畫面主要用于實際工藝情況調節盤磨機正常工作功率，以及顯示盤磨機磨漿過程中的空載功率和有效功率。調節電機狀態在調試初期和故障修理時用于調節機構的調零，當調試完成，調節電機的手動控制方式將被鎖定，調節電機的動作將由DCS進

行控制，避免因操作工誤操作而發生碰刀的情況。盤磨機報警信息畫面主要是顯示盤磨機連鎖保護中涉及的各項過程變量的狀態，便于檢查以及排除故障。

2.2盤磨機運行效果

    從歸檔的數據曲線與漿料實際打漿度的測量情況來看，在這套控制方案下，盤磨機運行情況穩定，各項數據、運行曲線都在程序設定的范圍內。

    當漿料濃度偏高時，盤磨機開磨過程的功率上升曲線如圖5所示。漿料濃度過高導致盤磨機進刀時會出現功率超限的情況，此時連鎖保護程序為了保護刀片，系統會執行快速退刀的指令，重新從有效功率開始爬升，說明本系統可以有效地保護磨盤。

    圖6描述的是一次順利開磨的情況，最后一次進刀時的功率超過了正常工作設定功率，但是并沒有超出報警上限。此時控制脈沖與慢速進刀時相同，間隙調節機構由進刀變成退刀，最終將功率穩定在設定值，所設計的控制算法可以有效地將功率穩定在設定值。

    由圖5和圖6的盤磨機功率上升曲線表明，在這種控制方式下盤磨機啟動時間在4 min之內就可以進入正常工作狀態。

3結語

    本課題以制漿生產線為背景，以三盤磨漿機為主要控制對象，基于S7-400PLC、Profibus-DP總線、工業以太網通信構建DCS，使用功率差值百分比數來構建脈沖占空比函數，并且將盤磨機控制分成3個階段采取不同的進退刀方式。實際運行效果表明，這種控制方式具有進刀時間短、調節速度快、超調量小并且可以有效地保護盤磨機磨盤的優點。