基于嵌入式控制器的造纸机控制系统设计

冉会中，余 勇

RAN Hui-zhong1, YU Yong2

（1. 成都纺织高等专科学校 电子信息与电气工程系，成都 611731；2. 成都军通通信股份有限公司，成都 610041）

0 引言

对中小型造纸机而言，传动控制系统是一个变速的分部传动控制系统，且要求控制稳定、精确。纸机运行的好坏，其传动控制系统是一个较为重要的因素。

[1]应用嵌入式系统技术，设计了造纸机控制器，是嵌入式技术的新的应用。本文利用参考文献[1]设计的嵌入式控制器，进行造纸机电气传动控制系统设计。

1 控制要求

本系统使用如图1所示的造纸机，该造纸机传动点为18个，每个传动点使用交流电机单独拖动。系统的控制以嵌入式控制器为核心，由嵌入式控制器对每个传动点的操作信号进行实时处理，并把相应的控制信号以通信的方式传送给变频器[1]。

图1 造纸机基本结构示意图

造纸机正常运行对电气传动控制系统的要求有以下几点：纸机传动系统要有一定的稳态精度和快速动态响应；工作速度可调；各传动分部间速比稳定、可调；各分部应具有可调的爬行速度和反爬行功能；各部分负荷可调；网部、卷纸机等分部的张力要恒定；各分部具有微升、微降功能，紧纸、松纸功能，必要的显示功能；相关联的分部具有单动、联动功能；纸机传动系统具有抗干扰能力。

依据该造纸机电气传动控制的要求和特点，进行电气传动控制系统设计，以完成控制功能。

2 控制系统结构

在设计造纸机控制系统时，必须采用网络架构，以便实现对整个纸机的控制[2]。

本造纸机是具有18个主传动点的纸机。其中，瞬时至少有1台电机参与和实现速度链控制。根据的控制要求和特点，选用CAN总线，构成整个造纸机的控制网络系统，其纸机结构如图2所示。

图2 控制器构成控制系统结构图

3 控制模型

要完成控制要求，必须建立相应的控制模型。

3.1 速度同步控制模型

首先建立速度同步模型。利用同轴原理，通过转度与线速度的关系，建立通过变频器动态控制各辊电机的供电频率，从而实现对速度的同步控制[3]。

辊外缘线速度和其转速之间的关系为：

其中：d为卷筒直径；i为传动系统传动比；V为外缘线速度；n为转速。

由转速与电源频率的关系和式(1)有：

若用各辊处的开关信号作为控制多电机同步传动的控制信号时，则式(2)可变成：

式中：ΔS为由辊外缘速度误差而产生的位移误差，即ΔS=S0-Sα；若相邻两次调频的时间间隔为t0，则：S0表示在t0内，辊外缘的理论线位移；Sα在t0内，辊外缘的实际线位移。Δf1为消除速度误差所需的电源频率的增量，即Δf1=f0-fα，其中f0表示在t0内，辊外缘达到理论线位移时电机的供电频率；fα表示在t0内，辊外缘线位移为Sα时电机的供电频率。

当辊外缘的线速度达理论值时，电机电源的频率应为fα+Δf1。

3.2 恒张力控制模型

依据造纸机控制要求，必须使网部、卷纸机等分部的张力要恒定，这就需要建立恒张力控制模型。

如图3所示，为位移调整计算原理图。由图可知，相临两辊在t0内产生位移差ΔL=L1-L2，通过调整张力装置两侧任一辊电机的频率，位移差ΔL将被消除。因此，得到频率调整增量表达式为：

图3 移位调整计算原理图

其中：t0、f、V定义与前面相同。

实现恒张力控制时各辊电机的频率确定如下[3]：

其中：Δf2i为消除第i段张力误差所需的频率增量；Δf2i'表示当实现整个系统纸恒张力时，第i段的频率增量。

由速度同步模型和恒张力模型可知，当进行速度同步控制和恒张力控制后，第i个辊电机的电源频率为：

从上面建立的模型可知，模型的运行参量与控制目标具有确定的定量关系，从而避免了多电机的性能差异、辊直径误差、负载波动等因素对控制的影响。

4 控制系统实现

依据前面对造纸机控制系统体系结构和控制模型，进行造纸机控制系统软件进行设计，以实现控制目的。

4.1 主控程序

图4 系统主控程序流程

依据控制模型、控制要求和工艺特点，并依据实时多任务的要求，将整个系统的控制按照任务方式进行划分，主要的任务有速度链、张力控制、负荷分配控制、数据采集任务和数据通信任务等。每台电机都利用嵌入式控制器给定的I/O端口进行单独控制，而且控制程序都采用模块化、结构化的相互独立的任务方式实现。各个任务都按照各自的扫描周期和优先级来确定其执行情况，任务间通过信号量实现通信与同步[4]。主程序流程如图4所示。

4.2 速度链设计

依据速度同步控制模型，每个辊的实际速度与边缘位移量和初始电源频率有关。速度链采用等状态控制方式。这种方式下所有传动点的给定速度同时由控制器给出，需要调整某一传动点的速度时，只需调整该传动点给定的速度值，所以不会像主从级联控制那样造成传动点之间的积累误差，从而减少了各个传动点之间的耦合性[5]。

4.3 恒张力控制

依据控制模型和工艺要求，在设计系统时，压光机与卷纸机间安装张力传感器，实现对张力的控制；在引入纸页之前为速度控制，纸页引入之后，转为“速度控制+张力控制”。张力传感器将张力信号送入嵌入式控制器，由控制器经过处理后对其进行控制。张力控制原理如图5所示。

图5 张力控制原理图

4.4 负荷分配控制

纸机传动控制系统中，需进行负荷分配控制。采用基于转矩控制的负荷分配控制方式实现控制，传动组控制方式如图6所示，只需要将传动点D去掉，就可以看成是两点传动组的控制方式，不妨以三点传动组为例进行分析。

A、B、E传动点在速度主链上，变频器采用速度控制模式。B、C和D传动点组成速度子链，B为主机，C、D为从机，C和D传动点的变频器采用转矩控制模式。B点的输出转矩T分别乘以负荷分配系数KC、KD作为C点和D点的转矩给定TC和TD，即

图6 负荷分配原理图

从机C、D的转矩时刻跟随主机B的转矩变化，达到负荷分配控制的目的。

5 结论

本控制系统中，采用嵌入式控制器将造纸机所有的需要统一控制的连接到一起，系统的控制信息通过CAN总线传递到嵌入式控制器，并通过以太网实现与操作面板连接，便于人工操作，提供了人机交互能力。而且，减少了现场电缆的使用量，节约了工程成本，并且提高了工程的可靠性和控制的精确度，所以本控制系统是一种应用前景很好的造纸机控制技术。

参考文献：

[1]郭荣佐.基于ARM的造纸机控制器设计[J].微计算机信息.2008,24(28)：69-71.

[2]孟彦京.纸机变频传动的现状与技术方案分析[J].西北轻工业学院学报,2000,18(73)：19-20.

[3]王子文,骆建华.用PLC和变频器实现造纸机同步传动控制[J].纸和造纸,2003,(4)：36-38.

[4]陈景文,等.CAN总线协议及其在造纸机电控系统中的应用[J].低压电器,2006.10：35-38.

[5]惠鸿忠,等.基于PROFIBUS—DP的纸机传动控制系统设计[J].制造业自动化,2009,31(9)：84-87.