一、概述
造纸行业以其传动点多、同步性要求高、连续化生产的特点，与冶金行业一起被称为自动化控制要求最高的行业。随着电力电子技术的发展，交流传动系统在造纸行业的应用越来越广泛，高性能、矢量控制型变频器的出现，使得过去需要由直流双闭环系统实现的传动控制，完全可以由交流传动系统来完成。为了满足不同类型的纸张生产和提高劳动生产率的需要，要求造纸生产线向高速化、全自动化方向发展，工业控制器（PLC）和现场总线越来越多地应用在造纸行业。这次，在淄博第二板纸厂，采用艾默生TD3000系列矢量控制型变频器、艾默生现场总线适配器和S7-300 PLC组成的控制系统，完美地实现了整条生产线的控制，为将来艾默生变频器在高速纸机上的应用打下了良好的基础。
二、板纸生产线工艺简介
该板纸机的型号为HT3000/110，是多圆网多烘缸板纸机，适用于生产用木浆、废纸浆及其它浆料抄造定量为130-250g/m²的瓦楞原纸、挂面牛皮纸及箱板纸等品种。该型板纸生产线主要由压榨部、烘干部、传动部三部分组成。与之配套的设备有三辊半湿压光机(即后面的光泽缸)、四辊压光机及水平式圆筒卷纸机。
压榨部的选型为一道双毛布主压榨、两道正压榨。压榨部机架为型钢焊接件，每条毛布圈路内配置双缝吸水箱、张紧器、校正器、高中压喷水管及辊子加压和气动加压等装置。纸浆通过辊子加压和气动加压粘附在毛布上，纸浆通过毛布之间的挤压和双缝吸水箱（抽真空）对纸浆脱水后初步定形为板纸。毛布最大工作张力为4.5N/mm。
各道压区线压：(N/mm)
双毯主压 设计线压：60 工作线压：40
一道单毯压榨 设计线压：80 工作线压：60
二道单毯压榨 设计线压：100 工作线压：80
烘干部为保证烘干能力，烘缸（热源是蒸汽）直径为Ф1500*3350mm，配有24只，其中最后一只为冷缸，烘缸分组按6+6+6+半干压（光泽缸）+6排列。每组缸有4只缸为主动，其余为被动，之间通过干网连接。每条干网均配有气动校正器、电动张紧器、导辊等。烘干部传动侧机架采用三角机架封闭式齿轮传动，操作侧为型钢焊接箱型结构，烘缸全部使用滚动轴承，稀油润滑。通过压榨部基本定形的板纸在烘干部被干网压附在烘缸表面，经过前三组缸烘干，板纸的干度在80%~85%之间，之后通过光泽缸对板纸进行初级压光，然后板纸经过第四组缸烘干，干度在90%~94%之间，此后板纸通过四辊压光机两次压光成为成品板纸，最后经过水平式圆筒卷纸机将板纸成卷。
传动部采用交流变频分部传动形式，分别由真空回头辊（37KW）、一压（75KW）、二压（37KW）、三压（37KW）、一组缸（22KW）、二组缸（22KW）、三组缸（22KW）、光泽缸（30KW）、四组缸（22KW）、压光（37KW）及卷纸（15KW）等11个传动点组成，共计363KW，每一台交流变频专用电机通过硬齿面齿轮减速箱直接传动各主动辊或主动齿轮。每一传动点配有相应的联轴器、中间轴（包括万向节）和基础板。各部分设置启动、停止、升速、降速按钮，达到单调、统调、运行/爬行等功能，设置运行、故障指示灯，电流、速度指示仪表等。
板纸机主要技术参数：
生产品种：瓦楞原纸、挂面牛皮纸、箱板纸等
抄造定量：130-250g/m² 净纸宽度：3000mm
网宽： 3350mm 生产能力：55-60T/d
工作车速：75-140m/min 设计车速：150m/min
主机轨距：3900mm 传动方式：变频调速，分部传动
装机容量：363KW 外型尺寸：（长*宽*高）67*10.5*6m
三、系统设计
1、控制要求
1）、11个传动点采用矢量控制型变频器组成闭环系统；
2）、Profibus现场总线控制
控制的重点是保证各传动点的线速度保持一致，尤其要保证线前两级一压和真空回头辊的严格同步，并保证两个电机的负荷均衡。因其工艺上的特点，要求转矩控制快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的闭环调速运行。并且当某一传动点因故障停机时,在不影响生产的情况下能正常启动。
2、系统控制方案及设备选型
该控制系统的关键是在系统负荷变化时，如何能保证各传动点的线速度一致。
考虑到为将来的高速纸机做技术上的铺垫，我们选用了艾默生TD3000系列变频器和西门子S7-315-2DP可编程控制器，通过Profibus现场总线组成整个的控制系统。可编程控制器(PLC)通过Profibus总线实时采集负荷数据，完成对各传动点速度控制和转矩控制的在线叠加，以实现各传动点的自动负荷均衡，每个传动点设有微调按钮，必要时进行手动调整（通过程序限制手动微调的调节范围），同时通过通讯方式读取变频器的输入端子状态，即将变频器的控制端子作为PLC的DI端子，从而减少了PLC的数字量输入模块数量。TD3000系列变频器的调速范围是1：1000，完全能满足控制精度的要求，并且其在10~300rpm时低于10％的转矩脉动及电机预励磁功能，使启动运行平滑、无冲击和抖动，从而能更好的承受一定的负荷变化。适配器选择艾默生专为其变频器应用PROFIBUS现场总线而生产的TDS-PA01，它属于Profibus智能从站，能响应主机的查询，并执行主机下发的控制命令。
3、系统组成
系统结构如下图所示。
图1
系统的硬件接线图见图2。（以真空回头辊变频器的接线为例）
图2
变频器的功能参数设置见表1。。
11台变频器的参数基本相同，但略有差别，变频器的功能参数设置见下表：
参数号 设定值
F0.02 1（闭环矢量）
F0.03 6（通讯给定）
F0.05 2（通讯控制）
F0.10 90（加速时间）
F0.11 90（减速时间）
F1组电机参数 根据电机分别设定
F2.00 光泽缸和4组缸：2（跟踪起动）其它传动点：0（从起动频率起动）
F2.09 1（自由停车）
F3.00－F3.03 ASR速度调节器PI参数，在出厂参数基础上，根据实际情况略加调整
F3.07 120%
F3.08 0(都未加制动单元)
F5.01－F5.08 0输出（可编程通过总线读取每台变频器的端子状态，每个端子的具体功能在可编程中定义）
F5.11 1（PA－PC输出变频器运行中信号）
F6.08 0（AO1定义为频率输出）
F6.09 3：适用于回头辊、一压、二压、三压、一组缸（AO2定义为电流输出）4：适用于二组缸、三组缸、 光泽缸、四组缸、压光机、卷纸机 （AO2定义为转矩％输出）
F6.10－F6.13 根据不同变频器F6.09的选择适当调整，使显示仪表的指示与对应参量的实际值相等。
F9.00 3
F9.01 0
F9.02 3～13（顺序分配）
F9.03 4（PPO4）
F9.05 PZD3连接值＝10（电机转矩％）
F9.08 PZD6连接值＝12（开关量输入状态）
FA.02 8(复位有效)
FB.00 600(脉冲编码器每转脉冲数)
FB.01 0(PG方向)
三、系统安装与布线
因系统采用了PROFIBUS总线的控制方式，总线的通讯速率达45kbit/s，为避免因设备的安装和布线造成对整个系统的影响，所以严格参照SIEMENS的接线标准接线，并且处理好系统的接地，以提高系统的抗干扰能力。
四、系统调试
调试的关键集中在真空回头辊和一压的启动，因为二者之间是通过毛布软联接，所以当二者之间的负荷略有差别时，由于毛布的张力，就会造成严重的负荷不均衡，从而造成不能正常启动，即使能够在某一频率下启动，当改变运行速度或负载变化时，就会出现故障，因为一组变频器参数不可能满足此种软联接负荷变化。要解决此问题，就需要在真空回头辊和一压运行时实时的调整二者的运行频率，进而实现实时的负荷均衡控制，其它各传动点以速度链的方式达到同步，从而实现负荷均衡。
PLC负荷均衡算法实现分两部分：
⑴在PLC内做一个给定积分器，使其加速时间大于变频器内部的加速时间，这样可以随意控制真空回头辊和一压的升速时间和升速步距，以保证在启动过程和恒速时进行微调叠加的可能性。程序流程图见图3。
PLC给定积分器流程图 图3
⑵速度控制和转矩控制的叠加，即在保证主给定基本不变的基础上，通过检测负载的转矩的变化，对主给定做适当的调整。程序流程图见图4。
速度控制和转矩控制的叠加流程图 图4
通过PLC算法解决了各传动点的启动和运行问题，但系统正常运行时，出现某一传动点无故停机的现象。
分析原因：
⑴停机信号是由PLC的数据区紊乱，造成送出的数据恰好是停机指令；
⑵PLC的确接收到停机信号；
⑶总线因受到干扰自己产生的紊乱信号。
经过对PLC的在线实时监控，发现设备无故停机时，PLC的确是送出了停机指令，这说明PLC是接收到了停机信号，因为每个传动点的控制信号是PLC通过Profibus总线从变频器中读取的，所以错误信号来源于变频器的干扰。
抗干扰措施：
⑴硬件抗干扰
将原来停机按钮的常开点改为常闭点，使停车有效信号与干扰信号反向。
⑵软件抗干扰
PLC从变频器中连续多次读取停机信号后方认为是真正的停机信号。程序流程图见图5。
软件抗干扰程序流程图 图5
注：通过调整状态有效的比较次数即可调节软件抗干扰的能力。
通过以上抗干扰措施的实施，设备无故停机的现象完全消除。
五、系统完善
1、真空回头辊和一压在负载变化较大时，负载电流的波动较大，动态微调的算法仍可改进。
2、当纸卷的卷径变大时，张力增大，会造成压光机和四组缸被拖至发电状态，出现过压的现象，所以PLC应实现全线控制的自动微调，今后，可在系统优化时实现。
3、现场控制信号是PLC通过PROFIBUS读取变频器的端子状态来实现的，这样减少了PLC的I/O模块的数量，但同时也增加了整个系统对Profibus总线的依赖性及对抗干扰的要求。
六、结束语
该控制系统已成功应用于淄博第二板纸厂，设备运行正常，尤其是基本实现了全线自动负荷均衡大大降低了操作人员的劳动强度。这是TD3000系列变频器首次应用于整条板纸生产线，并获得成功，是艾默生变频器在造纸行业提供成套解决方案的典型案例，也为其今后应用于高速纸机奠定了坚实的基础。
