朱其祥包冰映

（1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院 信息技術(shù)與工程系，福建 福州 350007；2.廈門黎明電氣技術(shù)有限公司，福建 廈門 361024）

WINDRUM-M復(fù)卷機(jī)切刀定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱其祥1包冰映2

（1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院 信息技術(shù)與工程系，福建 福州 350007；2.廈門黎明電氣技術(shù)有限公司，福建 廈門 361024）

依據(jù)工程實(shí)例論述的切刀定位控制系統(tǒng)，由上位機(jī)系統(tǒng)、S7-400PLC、S120伺服系統(tǒng)、刀位置測量傳感器、現(xiàn)場操作面板、刀移動(dòng)裝置及切刀裝置等組成。論述了WINDRUM-M復(fù)卷機(jī)縱切刀自動(dòng)定位系統(tǒng)組成及控制要點(diǎn)。該控制系統(tǒng)可以縮短切刀定位時(shí)間，以提高復(fù)卷機(jī)效率，所以對(duì)高速大型紙機(jī)其配套復(fù)卷機(jī)的運(yùn)行具有顯著作用。

縱切刀 復(fù)卷機(jī) 伺服系統(tǒng) 磁致伸縮傳感器

0 前 言

縱切刀為復(fù)卷機(jī)紙卷分切裝置，將紙機(jī)卷取的紙卷分切為用戶要求的寬度、長度或卷徑的成品紙卷。現(xiàn)對(duì)高速大型紙機(jī)配套的復(fù)卷機(jī)的運(yùn)行效率要求越來越高，通常情況下復(fù)卷機(jī)的運(yùn)行速度要達(dá)到紙機(jī)車速的2.5倍。復(fù)卷機(jī)運(yùn)行設(shè)計(jì)車速受到多個(gè)因素的影響：

（1）機(jī)械設(shè)備因素；

（2）生產(chǎn)紙種限制；

（3）成品紙卷直徑限制[1]。

特別是生產(chǎn)小卷徑和大定量紙時(shí)，復(fù)卷機(jī)運(yùn)行在不斷加速和減速過程，即復(fù)卷機(jī)尚未加速到達(dá)設(shè)定車速時(shí)就自動(dòng)減速停車。目前復(fù)卷機(jī)最高設(shè)計(jì)車速達(dá)2 800 m/min。在提高復(fù)卷機(jī)的運(yùn)行效率上，并不是無限制提高運(yùn)行車速，而是如何縮短復(fù)卷機(jī)換卷時(shí)間。換卷時(shí)間包括有幾個(gè)部分：卸紙過程動(dòng)作時(shí)間、更換紙芯、引紙、切刀定位。其中前3個(gè)部分時(shí)間是基本固定也無法壓縮，所以縮短切刀定位時(shí)間是提高復(fù)卷機(jī)效率的一個(gè)重要因素，特別是車速在2 000 m/min以上的復(fù)卷機(jī)，對(duì)分切產(chǎn)品變化頻繁的場合都必須配備縱切刀自動(dòng)定位系統(tǒng)，以提高復(fù)卷機(jī)運(yùn)行效率，并且可排除因手動(dòng)對(duì)刀人為因素的偏差造成不合格品?，F(xiàn)介紹WINDRUM-M復(fù)卷機(jī)縱切刀自動(dòng)定位系統(tǒng)組成及控制要點(diǎn)。

1 系統(tǒng)組成

復(fù)卷機(jī)切刀定位控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)系統(tǒng)、S7-400PLC、S120伺服系統(tǒng)、刀位置測量傳感器、現(xiàn)場操作面板、刀移動(dòng)裝置及切刀裝置等組成。系統(tǒng)圖見圖1。

1.1 上位機(jī)系統(tǒng)

采用工控機(jī)和SIEMENS WINCC V6.2控制軟件，控制畫面[2]見圖2，與PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)以下功能。

（1）參數(shù)設(shè)定：操作參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)；

（2）操作和監(jiān)控：實(shí)現(xiàn)刀移動(dòng)、選擇控制；

（3）報(bào)警：用于故障報(bào)警，及時(shí)查找故障；

（4）診斷：傳感器及刀狀態(tài)診斷；

（5）數(shù)據(jù)歸檔：保存分切及其他歷史數(shù)據(jù)，歸檔數(shù)據(jù)可保存3個(gè)月；

（6）配方：根據(jù)生產(chǎn)紙種和分切數(shù)據(jù)設(shè)定、選擇配方便于操作；

報(bào)表：提供1天、3天、1個(gè)月報(bào)表用于統(tǒng)計(jì)分析，也可人工選擇報(bào)表時(shí)間。

1.2 S7-400PLC

PLC選用CPU 414-2DP帶有CP443以太網(wǎng)通信模塊，現(xiàn)場級(jí)采用Profibus-DP通信協(xié)議。連接現(xiàn)場IO站ET200M、ET200S、位置傳感器、Sinamics S120伺服系統(tǒng)。操作監(jiān)控通過CP443采用ProfiNet通信協(xié)議連接MP277、KP8及上位機(jī)系統(tǒng)[3]。

圖1 切刀定位控制系統(tǒng)圖

圖2 切刀定位控制畫面

1.3 S120伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)采用CU310 DP Control Unit；PM340 power section15.00 kW; Synchronous servo motor 1FT/1FK8.80 kW。 SINAMICS S120 可以實(shí)現(xiàn)矢量控制和伺服控制，對(duì)于復(fù)雜任務(wù)的單機(jī)和多機(jī)傳動(dòng)來說，是一種理想的傳動(dòng)解決方案。SINAMICS S120 覆蓋功率范圍從 0.12 ～ 4 500 kW，且可配用多種控制單元，用于完成特定的傳動(dòng)任務(wù)，幾乎可以用于所有復(fù)雜的傳動(dòng)應(yīng)用。S120 能夠以矢量、伺服和 V/f 模式運(yùn)行。它們可以對(duì)所有驅(qū)動(dòng)軸完成速度和轉(zhuǎn)矩控制功能和其他智能控制功能，可以拖動(dòng) Siemens 的所有低壓電機(jī)，如異步電機(jī)，還有同步電機(jī)。集成的 PROFIBUS DP 接口保證輕松地集成到整個(gè)自動(dòng)方案中。PROFINET 提供一種全新的高速工業(yè)以太網(wǎng)通信。SINAMICS S120 具有以下特性[4]：

（1）高性能單機(jī)和多機(jī)傳動(dòng)的矢量/伺服控制；

（2）全功率擴(kuò)展；

（3）SINAMICS 安全集成功能；

（4）支持各種冷卻形式（空冷/液冷）；

（5）提供各種高性能整流的方式；

（6）工業(yè) IT 的集成概念；

（7）模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

（8）基于 Drive-Cliq 的電子銘牌配置。

1.4 刀位置測量傳感器

位置傳感器選用磁致伸縮位移傳感器，具有以下特點(diǎn)：

（1）堅(jiān)固可靠工業(yè)用位移傳感器；

針對(duì)企業(yè)的會(huì)計(jì)財(cái)務(wù)管理人員操作不熟練、技術(shù)水平不高的現(xiàn)狀，要加強(qiáng)對(duì)財(cái)務(wù)部門工作人員的培訓(xùn)，一方面要提高他們對(duì)ERP系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，改變傳統(tǒng)的工作方式；另一方面要提高他們的具體業(yè)務(wù)操作能力，只有財(cái)務(wù)人員熟練掌握ERP系統(tǒng)各個(gè)流程的具體操作方式，才能指導(dǎo)其他部門錄入信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。同時(shí)，企業(yè)也要加強(qiáng)對(duì)除了財(cái)務(wù)部門以外員工的培訓(xùn)和指導(dǎo)，提高全員的綜合素質(zhì)。只有企業(yè)各個(gè)部門都熟悉和掌握了ERP系統(tǒng)，才能保證整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行更加順暢。

（2）直線測量，絕對(duì)值輸出；

（3）LED指示燈診斷功能；

（4）無接觸測量，沒有磨損；

（5）超高精度，分辨率最高為5μm；

（6）非線性度低于0.01%；

（7）重復(fù)精度達(dá)0.001%；

（8）Profibus-DP輸出位置速度；

（9）多磁鐵位置測量，每個(gè)傳感器可測量多達(dá)15個(gè)磁鐵位置。

本實(shí)例中選用RH系列長度6 000 mm帶10個(gè)測量位置。通過Profibus-DP與PLC通信，在10個(gè)磁鐵位置情況下數(shù)據(jù)更新時(shí)間為3.55 ms。

1.5 現(xiàn)場操作面板

（1）現(xiàn)場操作和位置顯示；

（2）現(xiàn)場傳動(dòng)側(cè)機(jī)架配置一個(gè)MP277-10面板用于刀位置顯示及手動(dòng)操作控制；

（3）現(xiàn)場切刀處安裝有5個(gè)KP8操作鍵盤，每兩把切刀配置一個(gè)。通過KP8手動(dòng)選擇和移動(dòng)切刀。

1.6 刀移動(dòng)裝置及切刀裝置

切刀裝置包括：定位移動(dòng)滑桿、刀架的定位鎖定臂、鎖定控制氣囊、固定軌道、頂?shù)吨Ъ?、底刀支架?/p>

定位移動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：伺服馬達(dá)經(jīng)減速機(jī)減速后再通過渦輪減速機(jī)構(gòu)同時(shí)驅(qū)動(dòng)底刀和頂?shù)兑苿?dòng)桿。移動(dòng)桿的移動(dòng)帶動(dòng)鎖定在移動(dòng)桿上的刀實(shí)現(xiàn)對(duì)各把刀的定位。當(dāng)要求移動(dòng)某一把切刀時(shí)，通過上位機(jī)或現(xiàn)場觸摸屏或KP8鍵盤選擇要移動(dòng)的切刀，相應(yīng)刀架的底刀和頂?shù)舵i定電磁閥得電，定位氣囊加氣將刀架鎖定在底刀和頂?shù)兜囊苿?dòng)桿上。此時(shí)操作＜＜（快速向左）、＜（向左）、＞（向右）、＞＞（快速向右）移動(dòng)桿帶動(dòng)對(duì)應(yīng)底刀、頂?shù)锻揭苿?dòng)，而未選擇的刀則不動(dòng)。移動(dòng)時(shí)可選擇1把或多把刀同時(shí)移動(dòng)。

2 系統(tǒng)功能

復(fù)卷機(jī)切刀定位控制系統(tǒng)見圖3，主要功能有：

（1）能夠?qū)崟r(shí)顯示10把刀的實(shí)際位置，位置測量精度達(dá)0.1 mm；

（2）能夠根據(jù)需要選擇刀；

（3）能夠根據(jù)設(shè)定寬度，一鍵完成快速自動(dòng)定位；

（4）根據(jù)需要可現(xiàn)場或觸摸屏或上位機(jī)手動(dòng)調(diào)整；

（5）定位控制精度要求達(dá)0.1 mm；

（6）系統(tǒng)上電后具有自動(dòng)回零功能；

（7）刀移動(dòng)過程具有限位保護(hù)和超限保護(hù)功能，刀與刀之間具有限位保護(hù)防止碰撞功能；

（8）系統(tǒng)故障時(shí)具有在線診斷和在線幫助及報(bào)警功能；

（9）紙幅中心位置可根據(jù)需要設(shè)定±100 mm；

（10）連鎖和安全保護(hù)功能；

（11）復(fù)卷紙幅收縮自動(dòng)補(bǔ)償；

（12）紙芯間距補(bǔ)償；

（13）靈活配方功能，由20個(gè)配方數(shù)據(jù)可供選擇；

（14）中文界面，支持中文/英文在線切換；

（15）報(bào)表功能：1天分切報(bào)表、3天分切報(bào)表、1個(gè)月報(bào)表；

（16）數(shù)據(jù)歸檔，可保持3個(gè)月；

（17）系統(tǒng)能夠與其他上位管理系統(tǒng)連接，接收分切數(shù)據(jù)。

3 定位算法

3.1 刀實(shí)際位置計(jì)算

刀實(shí)際位置計(jì)算見圖3。

圖3 刀實(shí)際位置計(jì)算

參數(shù)說明：

（1）slitter_1_pos：來自位置傳感器測量值1…10 ，32位整數(shù)，單位0.1 mm；

（2）Correction_1：修正值設(shè)定1…10。32位浮點(diǎn)數(shù)，單位 mm；

（3）Inside_knife：使用圓刀的內(nèi)側(cè)切紙=1，16位整數(shù)，其中位0…9對(duì)應(yīng)刀1…10 ；

（4）KnifeWidth_1：實(shí)際圓刀的寬度。32位浮點(diǎn)數(shù)，單位 mm；

（5）Left_motor：電機(jī)在圓刀的左邊=1 ，16位整數(shù)，其中位0…9對(duì)應(yīng)刀1…10 ；

（6）MagnetOffset_1：測量位置磁環(huán)離圓刀邊的距離。32位浮點(diǎn)數(shù)，單位 mm；

（7）Meas_act_1：來自位置傳感器實(shí)際測量值1…10 ，32位浮點(diǎn)數(shù)，單位 mm ；

（8）Point_act_1：經(jīng)修正后刀的位置實(shí)際測量值1…10 ，32位浮點(diǎn)數(shù)，單位 mm。

3.2 刀移動(dòng)距離計(jì)算

刀移動(dòng)距離計(jì)算見圖4。

圖4 刀移動(dòng)距離計(jì)算

參數(shù)說明：

（1）Setting_width_1：設(shè)定分切寬度1…9 ,32位浮點(diǎn)數(shù)，單位mm；

（2）Compensation_Shrink：紙幅收縮補(bǔ)償設(shè)定值0%～5% ，32位浮點(diǎn)數(shù)；

（3）SetWidthComp_1：補(bǔ)償后分切寬度1…9 ,32位浮點(diǎn)數(shù)，單位mm；

（4）Setting_width1_total2：設(shè)定分切寬度總和，32位浮點(diǎn)數(shù)，單位mm；

（5）Zero_center_distance：零點(diǎn)離設(shè)備中心的距離，32位浮點(diǎn)數(shù)，單位mm；

（6）Center_offset_DS：中心點(diǎn)偏移量設(shè)定，32位浮點(diǎn)數(shù)，單位mm；

（7）Target_position_1：切刀定位的目標(biāo)位置1…10 , 32位浮點(diǎn)數(shù)，單位mm；

（8）selected_roll_number：根據(jù)設(shè)定寬度數(shù)量計(jì)算分切的輥數(shù)量，16位整數(shù)；

（9）Selected_knife：設(shè)置選擇分切的刀=1，16位整數(shù)，其中位0…9對(duì)應(yīng)刀1…10 ；

（10）Target_positionKnife_1：計(jì)算定位切刀的目標(biāo)位置1…10 , 32位浮點(diǎn)數(shù)，單位mm；

（11）SltToSlt_min：切刀之間的最小間距，32位浮點(diǎn)數(shù)，單位mm；

（12）Adjustment_distance2_1：刀實(shí)際位置與目標(biāo)位置的偏差值1…10 , 32位浮點(diǎn)數(shù)，單位mm。

3.3 自動(dòng)定位控制

定位控制中包括有兩個(gè)位置測量：

（1）伺服馬達(dá)本身定位控制，由伺服系統(tǒng)直接定位，其位置信號(hào)即移動(dòng)桿的位置。

（2）刀位置由磁致伸縮位移傳感器測量。定位過程是通過刀位置的設(shè)定值與刀實(shí)際位置的偏差值作為伺服馬達(dá)MDI控制方式位移設(shè)定值，由鎖定機(jī)構(gòu)對(duì)各刀進(jìn)行移動(dòng)定位。由于移動(dòng)桿有效行程只有600 mm，若刀定位行程超出移動(dòng)桿有效行程則需要移動(dòng)桿返回、定位多次來回移動(dòng)。

在系統(tǒng)定位控制啟動(dòng)前，PLC計(jì)算10把刀的目標(biāo)偏差值存儲(chǔ)在Adjustment distance2_1…10。為提高系統(tǒng)定位效率，在定位控制時(shí)同一方向偏差同時(shí)移動(dòng)，從最小偏差的刀開始依次定位，當(dāng)最大偏差值定位完畢其他同方向的刀也就定位完成。避免移動(dòng)桿的多次重復(fù)來回移動(dòng)，通過優(yōu)化運(yùn)行正常情況下移動(dòng)竿僅需移動(dòng)1、2次即可完成10把的定位?？刂屏鞒虉D見圖5。

圖5 自動(dòng)定位控制流程圖

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)操作性強(qiáng)，可多地操作，允許上位機(jī)手動(dòng)、自動(dòng)定位；現(xiàn)場HMI手動(dòng)、自動(dòng)定位；KP8按鍵式面板手動(dòng)操作。定位控制精度在系統(tǒng)中主要取決于切刀的刀架的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，影響最大的是刀架的鎖定塊動(dòng)作產(chǎn)生位置的移動(dòng)。刀架定位完成后氣囊通氣將刀架固定在固定軌道上時(shí)會(huì)產(chǎn)生位移，當(dāng)移動(dòng)量超過設(shè)定偏差時(shí)將會(huì)出現(xiàn)定位偏差，此時(shí)應(yīng)該維修或更換刀架。另外一種情況是測量誤差減少，本身磁致伸縮位移傳感器不會(huì)產(chǎn)生偏差，引起偏差的原因是固定在底刀刀架上的磁環(huán)支架產(chǎn)生偏移[5]，所以磁環(huán)支架應(yīng)固定牢靠，不要碰撞和大的震動(dòng)，以免引起松脫。

目前該系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行一年多，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理可靠。對(duì)提高復(fù)卷機(jī)效率和紙機(jī)的運(yùn)行效率已經(jīng)起到了顯著作用。

[1] 景兵輝. 復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)方案選擇與分析比較[J].中國造紙,2012,31(10):54.

[2] 蘇昆哲.深入淺出西門子WinCC V6[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[3] 西門子(中國)有限公司.深入淺出西門子運(yùn)動(dòng)控制器-SIMOTION實(shí)用手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

[4] 郭艷萍,李曉波. 基于Profibus-DP總線的復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2009(2):89.

[5] 張學(xué)敏. 3150復(fù)卷機(jī)不停產(chǎn)更新改造的方案設(shè)計(jì)[J].中華紙業(yè),2012,33(8):78.

單位：福建交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，信息技術(shù)與工程系

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2、包冰映(1967-)，男，漢，高級(jí)工程師。長沙鐵道學(xué)院（現(xiàn)中南大學(xué)）工業(yè)電氣自動(dòng)化專業(yè),1991,本科。主要從事DCS、PLC、交直流傳動(dòng)等工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用。

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A control system of slitter locating for WINDRUM-M Ewinder

ZHU Qixiang1BAO Bingying2
（1.Fujian Communications Technology College, Fuzhou, Fujian 350007,China 2.Xiamen Liming Elec-Energy Co.,Ltd. ,Xiamen, Fujian 361024,China）

Based on the project instance, the paper discuss a control system of slitter locating.The control system include supervisory control system, S7-400PLC, S120 servo system, magnetostrictive displacement sensor, field operation panel, shift device of slitter and slitter device etc. The paper introduce the constituent part and Control points of automatic positioning system for WINDRUM-M ewinder. The control system can shorten locating time in order to enhance ewinder efficiency. The system be provided with high speed and large-scale paper machine in efficiency.

Slitter； Ewinder；Servo system；Magnetostrictive Displacement Sensor

1．朱其祥(1965—)，男，漢，副教授/高級(jí)工程師。福州大學(xué)電氣工程系,1986,本科。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系,2005,工程碩士。主要研究方向?yàn)閮x器儀表的智能化和工業(yè)自動(dòng)化控制等。