摘要：為提高造紙機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。防止紙幅斷裂現(xiàn)象，從分析紙幅張力檢測(cè)的原理及方法出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于SIMATICS7—400PLC的造紙機(jī)張力控制系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、硬件配置及其控制功能的軟件實(shí)現(xiàn)。將該控制系統(tǒng)應(yīng)用于造紙機(jī)壓光部的實(shí)踐證明，該系統(tǒng)采用的速度控制+張力控制方式調(diào)節(jié)各傳動(dòng)點(diǎn)之間的速度鏈關(guān)系及紙幅張力，較好地實(shí)現(xiàn)了紙機(jī)張力控制功能，取得了滿意的控制效果。
　　
　　在紙機(jī)的生產(chǎn)線上，為防止紙幅斷裂現(xiàn)象，需要保持紙幅張力的穩(wěn)定，所以要對(duì)紙幅的張力進(jìn)行控制。紙幅張力控制分為直接張力控制和間接張力控制，在大型、高速紙機(jī)中通常采用直接張力控制：即在各傳動(dòng)部分的導(dǎo)紙輥上安裝紙幅張力傳感器用于檢測(cè)紙幅張力，再通過可編程控制器對(duì)紙幅張力進(jìn)行控制，從而保持紙幅張力的穩(wěn)定。
　　
　　1、紙幅張力檢測(cè)原理
　　
　　1.1紙幅張力檢測(cè)分析
　　
　　張力傳感器由特殊的剛性材料制成，使用時(shí)，將其安裝在紙幅導(dǎo)紙輥的支持軸承下方，它只對(duì)水平方向的張力起作用。其張力分析如圖1所示。　　　　
　　設(shè)紙幅張力為F，紙幅張力與水平方向的夾角分別為a和盧，F(xiàn)T為導(dǎo)紙輥和軸承的重力，F(xiàn)v，F(xiàn)L分別表示豎直和水平方向的力，于是可得：
　　
　　FL=F(cosα--cosβ)
　　
　　Fv=F(sinβ—sinα)+FT
　　
　　根據(jù)傳感器的值F。就可以計(jì)算出紙幅的張力F。
　　
　　1.2張力傳感器工作原理
　　
　　以ABB公司的Loadcell為例介紹張力傳感器工作原理。該張力傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理如圖2所示。
　　
　　張力傳感器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈正確通過傳感器的4個(gè)孔(其中初級(jí)線圈為激勵(lì)線圈，次級(jí)線圈為感應(yīng)線圈)。在正常情況下(即無水平張力)初級(jí)線圈的感應(yīng)磁場(chǎng)如圖2a所示，由于孔的合理放置，次級(jí)線圈無感應(yīng)電壓產(chǎn)生。
　　
　　當(dāng)水平張力F作用在傳感器上時(shí)，機(jī)械壓力就會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)屬性發(fā)生變化，即初級(jí)線圈的磁場(chǎng)發(fā)生變化，從而就會(huì)在次級(jí)線圈中產(chǎn)生相應(yīng)的感生電動(dòng)勢(shì)，如圖2b所示。感生電動(dòng)勢(shì)的大小及極性隨張力F的變化而變化，所以，通過測(cè)量感生電動(dòng)勢(shì)的大小和極性就可測(cè)得張力的大小及方向。
　　
　　2、直接張力控制的硬件設(shè)計(jì)
　　
　　在大型紙機(jī)中，系統(tǒng)的控制性能必須達(dá)到很高的精度和穩(wěn)定性才能保證紙機(jī)正常的運(yùn)行生產(chǎn)，否則會(huì)對(duì)成品紙的質(zhì)量造成較大影響。因此，要求紙機(jī)各傳動(dòng)分部的速度必須同步。在閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)單點(diǎn)傳動(dòng)的基礎(chǔ)上，采用速度控制+張力控制的方式調(diào)節(jié)各傳動(dòng)點(diǎn)之間的速度鏈關(guān)系及紙幅張力，從而保證速度同步。造紙機(jī)變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。　　　　
　　本系統(tǒng)以SIEMENS公司的SIMATICS7-400PLC作為主控單元；張力傳感器檢測(cè)傳動(dòng)單元測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)送PLC擴(kuò)展A/D模塊，再送至PLC內(nèi)；操作臺(tái)選用SIMATICOP27彩色觸摸屏，方便人工操作和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控；PLC與變頻器通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線完成通訊控制，變頻器執(zhí)行PLC動(dòng)作，控制電機(jī)運(yùn)行且進(jìn)行反饋閉環(huán)控制；上位機(jī)與PLC通過RS232協(xié)議通訊，實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和管理。
　　
　　在整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)中S7—400PLC是主站，與變頻器及現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏采用PRoFlⅨ玲-DP總線實(shí)現(xiàn)高速通訊，完成整個(gè)紙機(jī)傳動(dòng)過程中的速度鏈、負(fù)荷分配、張力控制等功能。PLC還接受上位機(jī)優(yōu)化控制指令，可根據(jù)紙張生產(chǎn)品種自動(dòng)調(diào)節(jié)各分部速度以適應(yīng)生產(chǎn)需求，同時(shí)PLC將各分部運(yùn)行參數(shù)送往上位機(jī)，以便及時(shí)了解生產(chǎn)狀況。
　　
　　3、直接張力控制的軟件設(shè)計(jì)
　　
　　程序設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，以子程序結(jié)構(gòu)適時(shí)調(diào)用實(shí)現(xiàn)各種控制功能；程序采用循環(huán)掃描方式對(duì)速度鏈上的傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行處理，提高程序執(zhí)行效率；程序設(shè)計(jì)通用性強(qiáng)，并具有保護(hù)功能；人機(jī)界面友好、方便操作。主程序流程如圖4所示。　　　　
　　主程序通過PLC端口程序掃描各傳動(dòng)點(diǎn)加、減、緊狀態(tài)，看是否需要進(jìn)行負(fù)荷分配控制，再對(duì)張力控制信號(hào)進(jìn)行分析，確定是否需要張力控制。張力控制信號(hào)是通過張力傳感器檢測(cè)傳動(dòng)單元測(cè)量點(diǎn)所得到的模擬電流信號(hào)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換模塊寫入PLC主控單元，從而進(jìn)行張力子程序控制。
　　
　　張力子程序控制流程如圖5所示。在張力控制子程序中，張力實(shí)際值和張力設(shè)定值都換算為百分比的形式，根據(jù)控制經(jīng)驗(yàn)值，其超調(diào)范圍一般可設(shè)定為5％。PLC每個(gè)程序周期采樣張力寄存器單元的數(shù)值，將實(shí)際值與設(shè)定值進(jìn)行比較，實(shí)際值超調(diào)將調(diào)用加減子程序，進(jìn)行速比求和后，再調(diào)用速度鏈子程序，使各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的速度趨于同步，從而達(dá)到控制紙幅張力恒定的目的。　　　　
　　4、直接張力控制的應(yīng)用
　　
　　根據(jù)紙機(jī)工藝要求，一般會(huì)在施膠部、壓光部及卷紙部配置張力傳感器進(jìn)行張力控制。紙幅經(jīng)烘缸后含水量很少，伸縮性很小，而且壓光部要求紙幅平滑不抖動(dòng)，以便順利進(jìn)行卷紙，其本身也是重型負(fù)載，所以壓光部在高速狀態(tài)下，微小的速度偏差就極易產(chǎn)生斷紙。為此，以壓光部作為控制對(duì)象，對(duì)其實(shí)現(xiàn)張力控制的應(yīng)用情況進(jìn)行介紹，壓光機(jī)部分機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示。
　　
　　在紙幅進(jìn)入壓光機(jī)前的導(dǎo)紙輥上安裝ABB公司的webtensionloadcell張力傳感器，測(cè)量出紙幅張力并送PLC進(jìn)行張力控制。壓光機(jī)的變頻控制采用速度控制+張力控制的復(fù)合方式，當(dāng)紙幅還沒有到達(dá)壓光機(jī)時(shí)，只有傳動(dòng)控制中的速度鏈起作用，張力傳感器此時(shí)不參與測(cè)量控制，當(dāng)紙幅引入到壓光機(jī)后，調(diào)節(jié)壓光機(jī)速度使得紙幅張力接近設(shè)定張力的90％(經(jīng)驗(yàn)值)，然后再投入張力控制，此時(shí)投入張力控制的好處是避免由于張力調(diào)節(jié)過大引起紙幅波動(dòng)造成斷紙。壓光機(jī)張力是通過調(diào)用張力控制子程序進(jìn)行調(diào)節(jié)的，可在程序中設(shè)置張力初始值(為紙幅zui大承受張力的百分比)，如果實(shí)際張力值偏大，PLC調(diào)節(jié)速度輸出變小直至合適。同理，如果實(shí)際張力值偏小，可以調(diào)節(jié)速度輸出變大直至合適。從而達(dá)到利用程序內(nèi)整定控制壓光機(jī)張力恒定的目的。
　　
　　上述設(shè)計(jì)可較好地實(shí)現(xiàn)壓光卷紙部分的速度+張力控制，但只適合于沒有施膠部分的紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)張力控制。如果系統(tǒng)中既有施膠、又有壓光機(jī)與卷紙機(jī)的張力控制，那么就應(yīng)該組成干部張力鏈來對(duì)整個(gè)干部的張力進(jìn)行協(xié)調(diào)均勻控制。這主要是因?yàn)閺埩φ{(diào)節(jié)是相互影響的，即施膠的張力調(diào)節(jié)會(huì)影響壓光與卷取部分的張力控制，反過來壓光與卷取部分紙幅的張力會(huì)逐漸傳遞到施膠部，對(duì)施膠部的張力產(chǎn)生影響。干部張力鏈控制主要在軟件編程中實(shí)現(xiàn)：在施膠、壓光和卷紙等分部的張力控制PLC調(diào)節(jié)區(qū)中專門開辟出一些存儲(chǔ)張力比的存儲(chǔ)區(qū)，這些存儲(chǔ)區(qū)在系統(tǒng)張力調(diào)節(jié)平衡時(shí)記憶平衡態(tài)的各分部間張力比，在系統(tǒng)車速變化時(shí)可隨時(shí)讀出這些經(jīng)驗(yàn)值做動(dòng)態(tài)張力調(diào)節(jié)，減少由于各張力點(diǎn)獨(dú)立調(diào)節(jié)時(shí)所引起的滯后，zui大限度地減少由于張力控制不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致的斷紙。
　　
　　5、結(jié)論
　　
　　根據(jù)紙機(jī)生產(chǎn)工藝要求，設(shè)計(jì)了基于SI-MATICS7—400PLC的紙機(jī)張力控制軟、硬件系統(tǒng)。采用速度控制兼張力控制的方式調(diào)節(jié)各傳動(dòng)點(diǎn)之間的速度鏈關(guān)系及紙幅張力，較好地實(shí)現(xiàn)了中、高速大型造紙機(jī)變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的張力控制，從而滿足了系統(tǒng)高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的性能要求。目前，該控制系統(tǒng)已在多家大型造紙企業(yè)生產(chǎn)線上得以應(yīng)用，運(yùn)行效果良好。