造纸复卷机自动化控制与应用

陈声海

摘 要：介绍了福建南平南纸有限责任公司6#纸机复卷机PLC、逆变器和张力传感器等自动化产品之间的高精度配置控制系统，以及退纸张力和复卷力的控制功能。

关键词：SINAMICS S120逆变器；张力传感器；PLC；张力控制

中图分类号：TS736+.1

文献标识码：A

DOI：10.11980/j.issn.0254508X.2018.01.007

Automatic Control System and Its Application in Paper Rewinder

CHEN Shenghai

（Fujian Nanping Paper Co.，Ltd.，Nanping，Fujian Province， 353000）

（Email：menghaigz@163.com）

Abstract：The paper introduced the high precision configuration control system of paper rewinding machine， PLC， inverter and tension sensor， and the control functions of unwinding tension and rewinding force.

Key words：SINAMICS S120 inverter；tension sensor；PLC；tension control

1 复卷机简介

福建省南平南纸有限责任公司自1958年成立至今有近60年历史，一直致力于造纸行业。目前淘汰落后产能后，剩余6#纸机产能大约18 万t/a，6#纸机是2008年引进的芬兰美卓纸机，年产18 万t高档文化纸。复卷机引进的是QUATTROLL公司的产品，主要由退纸部、切纸部、复卷部和卸纸部组成（如图1所示），复卷机最高车速2800 m/min，最大母卷宽度5340 mm；控制系统由西门子SIMATIC S7400、SINAMICS S120逆变器等组成。

2 工艺流程

复卷运行分3个过程：①纸幅的舒展，纸幅经过退纸辊、舒展辊和导辊完成舒展。②纸幅的纵切，纸幅经过圆刀、弧形辊和张力辊完成纵切。③把纵切的纸幅复卷成所需要的成品纸卷，纸幅经过前后底辊和压纸辊完成。3个过程是同时发生的，之间的关系密切。纸幅运行过程如图2所示。

为了控制好复卷时纸幅的舒展和复卷，必须要精确地设定张力值，如果张力控制不好会引起纸幅波动、发生断纸、端面不平和纸卷紧度松弛的质量问题；而纸卷紧度又受张力、扭矩和压纸辊压力影响。所以在运行中，操作人员需要监控纸幅的舒展、纵切和复卷，根据纸幅在复卷过程中的变化，可以适当改变运行参数。

3 控制系统的构成

主要技术参数：

复卷机设计车速2800 m/min；工作车速2600 m/min；最大设计张力850 N/m；交流传动供电690/400VAC；MCC供电400VAC；PLC控制系统供电230VAC。

复卷机自动化基于SIEMENS S7400和远程分布I/O（ET200S），CPU是S74162带EEPROM记忆卡控制系统，通信靠SIEMENS PROFIBUS来完成，连接到许多传感器和编码器等自动化仪器仪表。现场操作由触摸屏SIEMENS PC577和后台PC端Wincc软件分别控制，S7400控制系统如图3所示。传动变频系统采用SIEMENS SINAMICS S120，复卷机与包装车间通过以太网进行数据通信。传动点共有5个，分别是退纸辊、纵切刀、前底辊、后底辊以及压纸辊传动电机组成。

复卷机自动处理所有的设定点、爬行、测量和控制。操作人员还可以设定以下参数到复卷机中：速度、张力、牵引力和减速时间。纸幅张力可从 WinCC 几个画面上调整，也可在卸纸台旁的就地操作台上调整；张力以数字、趋向和柱条值显示（如图4所示）。

复卷机的控制通過幅宽、定量、紧度以及压纸辊压力曲线和自动停车模式来操作；交流传动的电机荷载和速度状态也将数字和时间曲线显示出来（包括碎浆机状态，如启动、运行、停止等）。电机启停控制画面如图5所示。

4 张力控制

4.1 张力控制系统

复卷机张力分为退纸张力和复卷张力，二者通过退纸辊与前后辊之间的转矩速度产生（如图6所示）。转矩由ABB张力传感器（见图7，张力传感器安装在纵切后的第二根辊梁下）测量得到后，测量信号直接传到ABB PFEA113张力控制器（如图8所示），再把信号送到 PLC S7400 显示和计算，然后通过PROFIBUS总线送到 SINAMICS S120逆变器执行。逆变器如图9所示。

4.2 张力的形成

退纸辊电机处于张力控制状态时， 纸幅张力设定值由复卷机控制系统传给传动系统；而张力实际值由安装在纵切部位置的张力测量辊上的张力传感器测量，其测量值经过张力放大器处理后传给传动系统的CPU进行运算（如图10所示），在运行中通过不断地比较张力设定值和实际值间的偏差，采用张力闭环PID调节控制，计算出张力调节器的输出值。将结果通过PROFIBUS总线送给退纸辊电机变频器调节电机的输出扭矩（如图11所示），以确保整个复卷过程中恒定的纸幅张力，实际应用中的复卷张力曲线趋势如图12所示。从图12可以看出，在升速和降速过程中，张力实际值和设定值相比有一定的偏离，这是因为在此过程中母卷转动惯量和摩擦力的变化所致。在实际的复卷过程中，张力受纸幅直径、密度、宽度、母卷变形情况等工艺因素的影响，所以，确保复卷机自控系统将这些参数准确地传递给传动系统很重要。

张力PID控制执行的是PID闭环控制系统，是通过速度、直径和实际测量的张力来调节PID控制调节器输出的。正常复卷中速度和直径在不断变化，如果速度和直径不加以补偿，将会出现加速过程中张力偏小，减速过程中张力偏大。在图13中看出，速度变化补偿值、直径变化补偿值和张力测量变化补偿值，分别输入到速度补偿模块SPD_ADPT、直径补偿模块DIAM_ADPT和张力PID调节控制器模块中的IN，采用线性算法输出OUT值。

复卷机运行时张力保持稳定，张力影响着复卷机运行的稳定性和成品纸卷的紧度。张力设定在画面上可以看到实际曲线（如图12所示），根据实际张力和速度的曲线变化调节张力的设定，以保持张力的稳定性。

4.3 复卷力的形成

复卷力也称复卷张力，是决定纸幅舒展好坏重要的因素，主要由前底辊和后底辊之间输出的扭矩产生。后底辊的速度即为复卷机的运行速度，调节后底辊的扭矩设定，以保持退纸张力和复卷張力之间的平衡。

刚开始复卷时双底辊复卷力占总张力的60%～70%，到复卷结尾时降到50%左右。从图14可以看出复卷力大小与直径成反比，也就是说直径越大复卷力越小。

前后底辊设定的复卷力，经过PLC模块计算输出扭矩传给SINAMICS S120逆变器。图15为前后底辊PLC扭矩输出图。

5 结 语

福建南纸6#纸机QUATTROLL复卷机自2009年10月投产以来，运行状态良好，复卷出来的纸卷得到客户的一致认可。复卷机控制系统运行稳定，SIMATIC S7400 PLC、SINAMICS S120逆变器运行良好且故障发生率较低。6#纸机正常生产运行时车速基本保持在1300 m/min，所以，复卷机车速要保持在2000 m/min以上才能保证成品纸卷现场不积压，也才能保证在计划外故障停机的情况下有充足的时间去处理。根据运行8年来的生产实践，证明该控制系统稳定可靠。

参 考 文 献

[1] SIEMENS SINAMICS S120 communication manual[S]. 2010.

西门子 S120 通讯手册[S]. 2010.

[2] ZHANG Yungang， SONG Xiaochun， GUO Wuqiang. SIEMENS S7300/400 Technology and Application[M]. Beijing： Posts and Telecommunications Press， 2007.

张运刚， 宋小春， 郭武强. 西门子S7300/400技术与应用[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2007.

（责任编辑：常 青）