孟彥京 李紅壘

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,陜西西安,710021)

高速衛(wèi)生紙機傳動控制系統(tǒng)研究

孟彥京 李紅壘

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,陜西西安,710021)

通過分析高速衛(wèi)生紙機傳動控制系統(tǒng)的特點,提出了高速衛(wèi)生紙機傳動控制系統(tǒng)速度鏈與負荷分配解決方案,闡述了高速衛(wèi)生紙機與生產(chǎn)文化用紙、工業(yè)用紙紙機傳動控制系統(tǒng)的區(qū)別與聯(lián)系,并分析了編碼器速度閉環(huán)的常見故障。

高速衛(wèi)生紙機;傳動控制;速度鏈;負荷分配;編碼器

高速衛(wèi)生紙機具有特殊的構(gòu)造與工藝要求,其傳動控制系統(tǒng)與生產(chǎn)文化用紙、工業(yè)用紙的紙機存在顯著差別。在進行速度鏈設(shè)計時,要充分考慮工藝要求與設(shè)備維護的需要,負荷分配要考慮毛毯特性以及負荷分配傳動點的距離,連接方式等。以毛毯為例,由于國產(chǎn)毛毯彈性沒有國外進口的好,國產(chǎn)毛毯能夠用剛性連接的負荷分配方式,但是換了進口毛毯后該方式便失敗了,這類問題如果處理不好會導(dǎo)致毛毯抖動或縮短使用壽命,影響正常生產(chǎn)。本課題基于山東華林 HCFM50 2700/1200新月形高速衛(wèi)生紙機傳動控制系統(tǒng),分析了高速衛(wèi)生紙機傳動控制系統(tǒng)需要注意的問題。該傳動系統(tǒng)在實踐中取得了良好的控制效果。

1 傳動系統(tǒng)控制對象及特點

HCF M50 2700/1200新月形高速衛(wèi)生紙機主要有成形輥、烘缸、弧形輥、卷紙缸和助動輪胎 5個傳動點。該傳動系統(tǒng)圈路圖如圖1所示。

各傳動點的速度控制需要滿足以下工藝要求:

圖1 傳動系統(tǒng)圈路圖

(1)烘缸內(nèi)部溫度較高,因此運行速度不能過低,一般不低于 200 m/min,運行前必須保證稀油站油壓正常,循環(huán)風(fēng)機正常。

(2)毛毯需要在低速下定時進行清理,要保證成形輥速度不能過快,一般為 70～100 m/min。

(3)正常出紙時,卷紙機按照設(shè)定起皺率自動調(diào)節(jié)與烘缸之間的速比。

(4)弧形輥位于烘缸之后,卷紙機之前,必須使其速度低于卷紙機,否則引紙時紙張可能纏繞到弧形輥上,造成嚴重后果。

(5)當(dāng)烘缸與托輥合輥后,烘缸與成形輥要進行負荷分配,二者速差不能大于 0.3%。

該系統(tǒng)選用 ABB公司直接轉(zhuǎn)矩控制 ACS800系列變頻器,以西門子 S7-300大型 PLC為控制中心,通過現(xiàn)場總線 PROF IBUS-DP與變頻器、上位機構(gòu)成三級控制系統(tǒng)。PLC與現(xiàn)場操作屏 OP-277、變頻器進行高速通訊。采用梅爾 F INS85系列光電編碼器與RTAC編碼器接口模塊實現(xiàn)速度閉環(huán)控制。

2 速度鏈設(shè)計

2.1 速度鏈工藝要求

基于紙機工藝要求,在進行速度控制時,需采集稀油站運行信號、托輥合輥信號,與主傳動進行連鎖控制,當(dāng)稀油站處于停止狀態(tài)或油壓過低時烘缸不允許啟動,在托輥與烘缸合輥后且達到一定壓力時進行負荷分配。另外,烘缸、成形輥和弧形輥的速度需要單獨給定,獨立啟停。針對該工藝要求,速度鏈設(shè)計如下:

弧形輥不進入速度鏈,單獨給定速度,單獨控制啟停;將成形輥速度控制分為濕部單動與濕部聯(lián)動兩種模式:濕部單動時,成形輥脫離速度鏈,烘缸與成形輥分別設(shè)定運行速度,分別進行啟停控制。濕部聯(lián)動時,成形輥加入速度鏈。成形輥運行速度由烘缸給定。

濕部聯(lián)動分為以下兩種狀態(tài)。

系統(tǒng)單動:成形輥、助動輪胎的運行速度由烘缸給定,能夠單獨進行啟?？刂啤Ｔ撾A段為合輥前的預(yù)備階段。

系統(tǒng)聯(lián)動:成形輥跟隨烘缸啟停,與烘缸進行負荷分配。該階段為正常生產(chǎn)階段。系統(tǒng)聯(lián)動時速度鏈傳遞如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)聯(lián)動時的速度鏈

起皺率:為了形成紙張褶皺,當(dāng)系統(tǒng)處于聯(lián)動狀態(tài)時,速度鏈由烘缸傳遞給卷紙機之前需要加入起皺率,設(shè) v1為卷紙機速度,v2為烘缸速度,k為起皺率,則 v1與 v2需滿足公式 (1)。

2.2 速度鏈算法實現(xiàn)

(1)計算速比 R

電機轉(zhuǎn)速 n與ABB ACS800變頻器內(nèi)部值 F之間存在以下對應(yīng)關(guān)系:即 0～n0對應(yīng) 0～20000。n0為電機同步轉(zhuǎn)速,此時需將變頻器參數(shù) 11.05設(shè)為 n0,而非 nN,這樣做是為了使紙機最高運行速度接近設(shè)計車速。速度鏈傳遞的變頻器內(nèi)部值通過 S7-300PLC程序?qū)崿F(xiàn)。考慮到各個傳動點所帶電機額定轉(zhuǎn)速不同,且減速箱減速比以及各輥輥徑有所差異,為了使紙機各分部傳動點線速度同步,在速度鏈中傳遞相同的數(shù)值是不行的,需針對每一個傳動點相應(yīng)速度鏈上的數(shù)值進行變速處理。即以主傳動點 (烘缸)為參照,其他傳動點在速度鏈上的值乘以一個系數(shù) R,得到速度同步時的各變頻器內(nèi)部給定值。設(shè)烘缸輥徑為D1,減速箱減速比為 I1,其他任一傳動點輥徑為 D2,減速箱減速比為 I2,根據(jù)輥面線速度與電機轉(zhuǎn)速關(guān)系公式 (2)得速比 R2算法,如公式 (3)所示。

(2)計算顯示系數(shù) K

為了在操作屏上顯示正確的速度值,需要對顯示值 v′進行校正,校正系數(shù)稱為顯示系數(shù)。它是把變頻器內(nèi)部速度反饋值 F直接乘以一個顯示系數(shù) K,得到輥面實際線速度 v。K表示輥面實際線速度與變頻器狀態(tài)反饋值之間的對應(yīng)關(guān)系。獲得顯示系數(shù)的方法有兩種:

一種方法是公式計算法。此時需要知道輥徑 D、減速比 I以及電機同步轉(zhuǎn)速 n0。K按公式 (4)計算。

另一種方法是經(jīng)驗矯正法。通過比較顯示數(shù)值與車速表測量值,按照公式 (5)反復(fù)調(diào)節(jié)顯示系數(shù) K,直到誤差達到要求。這種方法無需知道輥徑等參數(shù),但是對車速表精度依賴性高。

式中:v′表示校正前速度顯示值,K′表示校正前顯示系數(shù),v代表車速表測量值。

(3)計算 FC9值 Q

FC9值表示輥面線速度 v=0.1 m/min時,對應(yīng)的主點變頻器內(nèi)部給定值。此時 OP中主點速度給定值格式設(shè)定為 9999.9,即有 1位小數(shù)。該值用以建立OP與變頻器給定值之間的對應(yīng)關(guān)系。由于該值在FC9程序塊中處理,因此稱之為 FC9值。FC9值的計算方法見公式 (6)。

計算出 FC9值之后,需要通過程序使主點給定轉(zhuǎn)速由原速度按照一定斜率逐漸改變并最終達到給定值,使總車速在變速時保持穩(wěn)定。

需要注意的是,烘缸為大慣性負載,加減速時間要盡可能長一些,同時,為了保證聯(lián)動時成形輥與烘缸速度加減速過程保持同步,將二者的加減速時間設(shè)為相等。

此外,為了在車速改變時獲得良好的動態(tài)性能,必須在變頻器上調(diào)節(jié) PI參數(shù)?？梢詫⑸衔粰C速度數(shù)據(jù)作為參考依據(jù),具體方法如下:反復(fù)調(diào)整比例增益與積分時間,微分時間設(shè)為 0,然后改變車速,觀察上位機各傳動點速度的階躍響應(yīng)曲線,直到滿意為止。

3 負荷分配設(shè)計

3.1 負荷分配原理

在造紙傳動控制中經(jīng)常遇到幾臺電機同時拖動同一負載的情況,此時只有電機速度同步并不能滿足實際系統(tǒng)的工作要求,每個傳動點的負載率也不能相差太大,否則會出現(xiàn)一臺電機出力大,一臺電機出力小的情況,負荷分配嚴重不均會縮短毛毯壽命,更甚者會撕裂毛毯。在該系統(tǒng)中,由于托輥沒有設(shè)置傳動點,當(dāng)托輥與烘缸合輥后,烘缸與成形輥承擔(dān)共同的負載,二者需要進行負荷分配。

理想化的負荷分配模型要求各電機的負載功率保持一定比例 (負荷分配系數(shù)),一般設(shè)負荷分配系數(shù)為 1,即主傳動點與從傳動點負載率相等。設(shè) 1#電機為負荷分配主點,位于速度鏈主鏈上,2#、3#電機為負荷分配從點,位于速度鏈從鏈上,則負荷分配電機的期望負載功率應(yīng)滿足公式 (7)。

其中,Pi表示第 i臺電機的實際負載功率,Pei表示第 i臺電機的額定負載功率,i的取值范圍為 1～3。

可將公式 (7)改寫為:

其中:

負載率是間接量,系統(tǒng)實際控制的是電機轉(zhuǎn)矩,ABB ACS800系列變頻器可以采樣電機實際轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的百分比Δ δ,因此,只要讀取主點的轉(zhuǎn)矩百分比Δ δ作為從點的轉(zhuǎn)矩給定,就可以實現(xiàn)負荷分配。

使用轉(zhuǎn)矩量化的負荷分配滿足公式 (8)。

3.2 負荷分配實現(xiàn)

負荷分配的傳動點有兩種連接方式,一種是剛性連接,一種是柔性連接。所謂剛性連接,即幾個不同的電機軸之間通過萬向節(jié)、傳動輥、齒輪帶等硬連接方式進行耦合。在這種情況下,只要一個傳動點運動,與之相連的其他傳動點也將被動運動。此時主點一般采用速度控制,從點采取轉(zhuǎn)矩控制,即直接轉(zhuǎn)矩控制的負荷分配方式;另一種連接方式是柔性連接。所謂柔性連接,即幾個不同的電機軸之間通過網(wǎng)毯、皮帶等軟連接方式進行耦合,在這種情況下,只要一個傳動點電機運動,其他傳動點電機也將被拖動,但是有可能打滑。常用的柔性連接負荷分配應(yīng)遵循下列控制方式:①主傳動單元為速度控制;②從傳動單元跟隨主傳動單元的速度給定。這種方式本質(zhì)上是一種帶速差限幅的系統(tǒng)單動狀態(tài)。

系統(tǒng)最初采取了轉(zhuǎn)矩控制的負荷分配方式,控制效果不理想,成形輥的速度一直處于振蕩狀態(tài),分析原因是成形輥與毛毯之間有打滑現(xiàn)象。剛性連接所采用的直接轉(zhuǎn)矩控制的負荷分配方式能夠克服從點打滑:如果從傳動輥與毛布打滑,說明從點給定轉(zhuǎn)矩達不到所需轉(zhuǎn)矩,這樣將導(dǎo)致主點負載增加,轉(zhuǎn)矩(百分比)增大,由于從點轉(zhuǎn)矩由主點給定,此時從點轉(zhuǎn)矩也將隨之增大、速度增加,進而達到新的平衡;然而在柔性連接中毯、網(wǎng)具有較強的伸縮性,因而不具備打滑時的自我調(diào)整特性,容易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。在該系統(tǒng)中烘缸與成形輥并不是直接的剛性連接,也不屬于直接通過毛毯耦合的柔性連接,而是一種特殊的耦合方式。

另外,如果單獨使用柔性連接的負荷分配方式,那么主從點轉(zhuǎn)矩差在較大范圍是不受控的,對于高速紙機來講,容易對毛毯和設(shè)備造成損壞,且電機壽命也會受影響?？紤]到烘缸與成形輥之間特殊的連接方式,本課題采取了一種折中方案,在保證主從傳動單元速差不大于 0.3%的條件下,通過分段調(diào)節(jié)成形輥速度間接控制輸出轉(zhuǎn)矩,使從點轉(zhuǎn)矩與主點轉(zhuǎn)矩基本保持一致。同時在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩時加入控制死區(qū),當(dāng)主點與從點轉(zhuǎn)矩差位于該死區(qū)范圍內(nèi)時,則停止速度調(diào)節(jié)。成形輥負荷分配控制流程如圖3所示。

圖3 程序流程圖

在設(shè)計負荷分配程序時需要注意以下幾個問題:

(1)只能通過調(diào)節(jié)成形輥的速度實現(xiàn)負荷分配。因為烘缸速度直接決定了總車速,影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性,所以不允許調(diào)節(jié)烘缸速度。

(2)在程序中需加入烘缸與成形輥速差限幅,防止速差過大;同時需加入控制死區(qū)避免成形輥速度頻繁調(diào)節(jié)形成振蕩。

(3)每段速度調(diào)節(jié)的間隔時間與調(diào)節(jié)幅值要根據(jù)Δ δ的采樣大小分別設(shè)定,以提高速度調(diào)節(jié)的動態(tài)性能,使成形輥的轉(zhuǎn)矩在最短的時間內(nèi)平穩(wěn)達到烘缸轉(zhuǎn)矩值。經(jīng)過實驗將轉(zhuǎn)矩差死區(qū)范圍設(shè)置為 7%,速差限幅設(shè)為 3 m/min。最終車速可達到 1186 m/min,毛毯、托輥無抖動,紙機運行平穩(wěn)。

4 編碼器速度閉環(huán)控制

4.1 光電編碼器接法

由于該紙機是高速紙機,為了提高傳動系統(tǒng)控制精度,需要加入編碼器速度閉環(huán)控制。編碼器的輸出方式有以下 3種:推挽式、集電極開路式、射極開路式 (見圖4)。

圖4 編碼器輸出方式

其中,VCC表示脈沖編碼器輸入供電電壓。編碼器驅(qū)動電壓為 5～30 V,RTAC模塊提供 15 V和 24 V兩種電壓值,可以通過跳線改變驅(qū)動電壓;OUT表示編碼器 A、B、Z 3通道的輸出脈沖。其中 A通道或 B通道各產(chǎn)生一個脈沖序列,可以用來測轉(zhuǎn)速;正轉(zhuǎn)時 A通道超前 B通道 90°,反轉(zhuǎn)時 B通道超前 A通道 90°,因此結(jié)合 A、B通道波形可以測轉(zhuǎn)動方向;Z通道測轉(zhuǎn)動角度。由于電機轉(zhuǎn)向已設(shè)為正轉(zhuǎn),系統(tǒng)只需采集A相脈沖即可;RL表示輸出通道的負載電阻?？梢栽谪撦d端并聯(lián)匹配電阻 R以增強脈沖信號幅值。對于 24 V驅(qū)動電壓,R的取值范圍為 1.8～2.2 kΩ,對于 15 V驅(qū)動電壓,R的取值范圍為 1.0～1.5 kΩ。梅爾編碼器采用推挽式輸出方式,該系統(tǒng)中編碼器與變頻器接線圖如圖5所示。

圖5 編碼器與變頻器接線

編碼器功能需要通過設(shè)置變頻器參數(shù)激活。ACS800變頻器關(guān)于編碼器的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 編碼器參數(shù)設(shè)置

圖6 編碼器波形圖對比

4.2 編碼器常見故障及解決辦法

在投入速度閉環(huán)時容易出現(xiàn)過流或過載現(xiàn)象。在低速紙機中如果出現(xiàn)這種現(xiàn)象,最簡單的辦法是屏蔽編碼器,但是這種做法在高速紙機中是不允許的。在該項目調(diào)試初期,由于沒投入編碼器,出現(xiàn)了烘缸與成形輥速差增大的問題,后來正確投入編碼器后速差有所減小。ABB ACS800變頻器常見編碼器故障報警信息有 ENCODER A<>B(7302)、ENCODER ERR(7301)、OVERCURRENT(2310)或 MOTOR STALL(7121)。出現(xiàn)此類報警或故障信息時需檢查編碼器的接線或參數(shù)設(shè)置是否正確,常見問題是 A、B兩相接反、編碼器單轉(zhuǎn)脈沖數(shù)設(shè)置不對或是脈沖波形不理想,可以借助示波器觀察脈沖波形的好壞。投入速度閉環(huán)后,如果編碼器脈沖波形毛刺過大過多或是波形衰減嚴重,便容易出現(xiàn)過流、堵轉(zhuǎn)或速度波動等問題。導(dǎo)致脈沖波形不理想的原因主要有:

(1)編碼器損壞:表現(xiàn)為無脈沖或脈沖異常?？筛鼡Q編碼器驗證。

(2)編碼器軸套沒接好,表現(xiàn)為脈沖丟失,示波器顯示一條高電平或低電平的橫線。原因可能是螺絲松動,脫落,軸套打滑。

(3)現(xiàn)場干擾大:表現(xiàn)為毛刺較大較多。檢查編碼器與 RTAC模塊之間的信號線屏蔽層接地是否良好,柜體以及電機接地是否良好。

(4)紙機速度不穩(wěn):表現(xiàn)為周期內(nèi)脈沖數(shù)變化大。檢查總線通信是否正常,排除機械原因。

圖6列出了 2組波形圖,其中波形(a)為正常波形,毛刺少且小;波形(b)為異常波形,毛刺較多較大。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn) (b)波形對應(yīng)的傳動輥有較大抖動,換了編碼器后恢復(fù)正常。

5 結(jié) 語

一般文化用紙紙機與工業(yè)用紙紙機的傳動系統(tǒng)具有典型的速度鏈結(jié)構(gòu),速度給定在紙機主傳動點完成,剛性連接或是短距離的柔性連接較多,負荷分配中從傳動輥多以轉(zhuǎn)矩控制方式為主,在保證主從傳動輥速度同步的同時,需要使轉(zhuǎn)矩相等,且車速較低,要求控制精度不高;高速衛(wèi)生紙機由于工藝要求,鏈式結(jié)構(gòu)不明顯,獨立控制點較多,負荷分配要兼顧速度與轉(zhuǎn)矩,要優(yōu)先保證主從傳動單元速度同步,同時允許存在轉(zhuǎn)矩差;一般文化紙機與工業(yè)紙機車速較低,編碼器作用不大,但是高速衛(wèi)生紙機需要有較高的控制精度,因此編碼器的作用很重要。在設(shè)計高速衛(wèi)生紙機傳動控制系統(tǒng)時,需要加以注意。

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Study on Drive Control System of High-speed TissueMachine

MENG Yan-jing L IHong-lei＊
(Shaanxi University of Science&Technology,School of Electrical and Infor m ation Engineering,Xi'an,Shaanxi Province,710021)

By analyzing the features of high-speed tissue papermachine drive control system,this paper proposed a solution for speed chain and load distribution,described the difference and connection of drive control systems between high-speed tissue paper machine and machines for the production of cultural,industrial papers,analyzed some common failures of speed closed loop based on encoder.

drive control;speed chain;load distribution;encoder

TS736+.1

B

0254-508X(2011)06-0053-05

孟彥京先生,教授;研究方向:電力電子與電力傳動、現(xiàn)場總線技術(shù)及其在電力傳動中的應(yīng)用等。

(＊E-mail:lihonglei13@163.com)

2011-01-01(修改稿)

(責(zé)任編輯:趙旸宇)