西門子S120在施膠機上的應用和優化(自動化)
西門子S120在施膠機上的應用和優化(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驅動控制系統在造紙機施膠機傳動控制上的實現和調試，以及通過優化去來實現高自動化高精度的生產過程控制。
關鍵詞：SINAMICS S120；速度控制；轉矩控制；負荷分配；優化；張力控制
中圖分類號：TS77 DOI：10.11980/j. issn. 0254-508X．2016. 05. 013
隨著工業的發展，造紙設備趨向于更大型化，速度更快，自動化程度更高。對控制系統的控制精度和高自動化程度提出了更高要求。常規施膠機一般在閉輥或閉合施膠梁時需要人為地對施膠機速度或者張力進行手動調整，并且也要手動對施膠后烘缸的速差或者張力進行操作，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驅動控制系統，通過優化實現施膠閉輥、施膠梁打開和閉合的高精度、高動態、高自動化控制，從而減少操作人員的操作，減少斷紙，提高產量。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，由于紙板機機身比較長，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定性，更人性的調試和診斷畫面，更豐富的端口連接，以及更便于維護的硬件結構。
1項目簡介
亞太森博漿紙有限公司為了擴大生產規模，投人大量資金建造了一條高檔包裝用紙生產線，施膠機是項目中的一個重要設備。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，導輥直徑為350 mm，設計車速1000 m/min，紙張定量170~ 400/m2，厚度200~490
m，緊度0.815~0.850 g/cm3。施膠機外形如圖1所示。
2施膠機工藝簡介
施膠機主要由上輥、下輥和導輥、用于上料的上施膠梁和下施膠梁、引紙繩和引紙轉換器組成。在紙幅正常傳送到施膠機之前，需要通過引紙繩和引紙轉換器把紙幅牽引到施膠機上。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。當紙幅引到施膠機時，紙幅會擴到全幅的狀態。閉合施膠輥，然后閉合上下施膠梁，這樣施膠液就會
隨著輥子的轉動全部涂在紙幅表面。
3 系統的硬件設計
施膠機包含施膠固定輥（下輥），施膠移動輥（上輥），導輥，引紙繩，引紙轉換器。系統選用的是S120交流整成直流，然后直流轉化成交流的AC-DC-AC的硬件結構。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充電的開關相連。設計有安全開關便于現場維修，MP277 10inch用于現場操作?？刂破鞑捎玫氖?/font>3塊416~2在同一個機架上并行，施膠機掛在第二塊CPU的一個網段上。上位機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速度環優化分析和優化過程
4.1速度環優化分析
單回路矢量控制的傳動系統包含速度環、轉矩環和機械系統（積分：Tim）。一般來講，速度的設定是不會擺動的，給定要通過斜坡函數發生器。通過電機的發力去實現速度的跟蹤，速度環是轉矩環的外環。所以合適的負載響應才能使電機和機械很好地同步。按照圖2系統方框圖和響應圖（Kr—n是控制器的比例分量，T r—n是速度環的積分）來分析，一般速度環節躍響應的超調量在43%左右。
電機和設備之間一般通過聯軸器（彈性）或者齒輪箱（齒間隙，彈性）連接起來的。所以電機和設備之間應該存在扭轉的震動頻率。功能圖如圖3所示，開環傳遞函數如圖4所示，一般在大的設備中扭轉的震動頻率低于10 Hz。
理論上，通過測量負載的速度或角度，靠實際反饋的速度信號能使速度環穩定，但在實際系統中需要有一定的方法找到合適的控制器參數值。
4.2速度實際優化過程
(1)把一個小的階躍加進速度環給定，設一個比較小的比例（如K p=3），找到震蕩頻率，通常設2~3倍震蕩周期的時間作為速度環反饋的濾波時間T2。階躍加入如圖5所示。
(2)讓速度環運行在單純的比例控制下，不斷地增加比例值。當速度環有稍微超調時的比例值是合適的值。比例增加曲線如圖6所示。
(3)設定積分時間。積分時間設定為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子上順利通過。
(4)設定速度給定的濾波和速度反饋的濾波為相同的值，防止在加速時出現加速同步的錯誤。施膠機下輥和上輥速度環優化后的階躍響應時域圖如圖8所示。
5控制的實現和補償
圖9為系統結構示意圖。
從圖9中可以看出，M65（下輥）是主輥，M66（上輥）是從輥，當M65和M66閉合在一起時，M66進入負荷分配模式。M65紙幅通過施膠機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行操作。
施膠機的從輥負荷分配：主傳動速度調節器的輸出乘以負荷分配系數，減去從傳動速度調節器的輸出，然后乘以軟化補償量，加到從傳動的速度給定。負荷分配（軟化補償）如圖10所示。
當紙幅從施膠機的壓區經過時，上下輥對紙幅表面產生的力是相同的，F1=F2，力的分配如圖11所示。
實際應用中是通過電機的發力來實現F1= F2，所以要通過齒輪箱的速比、輥的直徑、電機的功率來折算電機的扭矩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該直接補償，摩擦力自動補償功能如圖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），施膠輥在生產過程中也可能打開和閉合。輥子閉合或上下上料梁閉合，傳動負載在瞬間變化很大，若單獨靠速度環來調整可能需要速度環的調整周期，這樣速度變化很大。為了避免負荷波動導致速度波動，在閉輥或閉合上下梁時需要對主傳動和傳動進行附加轉矩補償。實際補償圖如圖13所示。
通過實際曲線的負載變化值來進行補償。由于在施膠后紙幅變濕，變濕后由于拉伸的原因紙幅伸長，所以對施膠機后的烘缸進行速度的補償有些時候是必要的。
6張力控制的實現和優化
6.1張力控制的實現
通過張力控制器的輸出，疊加到速度給定上，這樣傳動會根據紙張的實際張力來調整速度，以達到恒定張力控制的目的。張力控制圖如圖14所示。
張力控制應在閉輥時自動投入，在施膠機打開時張力自動切掉。當斷紙時施膠應自動停止，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從負荷分配控制自動切換到速度控制。
6.2張力控制的優化
有紙時張力在不斷調節，此時需要對張力調節器的PI進行最優化調整。在張力給定部分加入3%左右的擾動，張力調節器方框圖見圖15。同時在曲線中觀察實際張力值的跟隨情況，根據實際曲線不斷調整比例和積分值。直到實際值的曲線和擾動加入的曲線能夠跟上，有一點點的超調量為最佳的PI參數。張力控制響應圖見圖16。
7結語
通過施膠機優化，減少了操作人員的操作，降低了勞動強度，提高了生產率。項目連續運行24 h，張力的穩態精度小于0.5%，在帶紙加速或改產過程中，張力的動態精度小于4%。張力不投入的情況下24 h的速度穩態精度小于0. 01%，帶紙加速或改產過程中動態精度小于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定的運行狀態，受到客戶的好評。
