【正文】 于選擇不同的硬件裝置和軟件系統(tǒng) [4]。 近年來，隨著機(jī)械制造業(yè)、電力電子技術(shù)及現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，國內(nèi)外的造紙工業(yè)對自動化程度的要求也不斷提高，紙機(jī)的高速及穩(wěn)定性、快速性是人們對紙機(jī)的控制系統(tǒng)不斷追求的目標(biāo)， 依據(jù)變頻器調(diào)速具有高效節(jié)能、現(xiàn)場總線技術(shù)具有高傳輸率、強(qiáng)抗干擾性與使用方便等優(yōu)點，在此基礎(chǔ)上對我國紙機(jī)電氣傳動控制技術(shù)的應(yīng)用與研究是提高我國造紙工業(yè)自動化技術(shù)水平的重要途徑，可以進(jìn)一步滿足人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)文化需求，并使我國的造紙工業(yè)在世界的紙機(jī)市場上立于不敗之地，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會效益?！笆?時期是我國全面建設(shè)小康社會的關(guān)鍵時期，是深化改革開放、加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的攻堅時期，工業(yè)化的深入發(fā)展是加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的重要著力點之 一 [2]。目前，我國造紙工業(yè)在產(chǎn)量、質(zhì)量、品種方面都取得了較大的發(fā)展，有力地促進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，但人均占有量與世界發(fā)達(dá)國家相比，還是相差甚遠(yuǎn)，生產(chǎn)和消費水平比較低 [1]。 本文采用國內(nèi)外較成熟的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)，即三級控制網(wǎng)絡(luò)，變頻器與電機(jī)等相關(guān)的控制設(shè)備構(gòu)成第一控制級，通過 ProfibusDP與整 個控制系統(tǒng)的核心單元也就是第二控制級 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信， PLC不僅可以通過 ProfibusDP與現(xiàn)場的操作面板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信以達(dá)到實時控制的作用，而且又能通過高速的工業(yè)以太網(wǎng)與第三控制級即上位機(jī)管理操作控制室進(jìn)行連接，最后設(shè)計了基于現(xiàn)場總線的紙機(jī)電氣傳動控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的設(shè)計解決了紙機(jī)整體復(fù)雜的控制系統(tǒng)難以控制的問題。摘要 造紙工業(yè)的發(fā)展直接關(guān)系整個國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在現(xiàn)代社會對各類紙張的消費水平在某種程度上標(biāo)志著一個國家的文明程度。 所設(shè)計的系統(tǒng)經(jīng)過在實際生產(chǎn)中的投入運行，紙機(jī)的車速得到了進(jìn)一步的提高，滿足了紙機(jī)對控制系統(tǒng)的各項要求，且具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率及效益，促進(jìn)了造紙工業(yè)自動化技術(shù)的 發(fā)展水平，所以該系統(tǒng)的設(shè)計與研究的成果具有在工業(yè)應(yīng)用中大力推廣的價值。與國際先進(jìn)造紙工業(yè)發(fā)展水平相比，存在如下主要問題：纖維原料中木材的比重很小，現(xiàn)有木材沒有得到充分的合理利用；原材料及能耗消耗偏高；企業(yè)規(guī)模較小，對生產(chǎn)管理和對“三廢 的治理帶來很大的困難；技術(shù)裝備扔較 落后，機(jī)械化、自動化水平不高，勞動生產(chǎn)率較低。目前，我國仍處于并將長期處于工業(yè)化和城鎮(zhèn)化迅速發(fā)展階段，國民經(jīng)濟(jì)的收入也在逐步提高，人們的消費結(jié)構(gòu)模式也在不斷升級，所以給我國造紙工業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了很大空間，也為改善 舊 技術(shù)及采用新技術(shù)、提高生產(chǎn)效率創(chuàng)造了有利的條件，同時也促使了落后產(chǎn)能的淘汰，加快了我國造紙工業(yè)發(fā)展 2 方式的轉(zhuǎn)變與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 隨著機(jī)械制造業(yè)、電力電子技術(shù)及現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，人們對紙機(jī)控制系統(tǒng)的性價比要求也日益提高，國內(nèi)外相關(guān)公司為了占據(jù)更大的市場及贏取更大的利潤，都在掙先研究設(shè)計新產(chǎn)品并改善傳統(tǒng)的產(chǎn)品，使其產(chǎn) 品的控制性能更加成熟與完善且可靠性精度更高。國內(nèi)的電氣傳動公司大多都采用西門子、 ABB、歐姆龍、貝加萊等知名公司的產(chǎn)品，近些年，國產(chǎn)和利時公司的產(chǎn)品也在造紙行業(yè)得到 3 了迅猛的發(fā)展，并搶占了一部分國內(nèi)外的紙機(jī)市場。所以總的來說，我國整個造紙工業(yè) 技術(shù)的發(fā)展得到了很大的進(jìn)步，但相對于國外的紙機(jī)，國產(chǎn)紙機(jī)在速度及對其控制的精度和自動化程度都還存在一定的差距，所以要提高整個民族造紙工業(yè)的技術(shù)發(fā)展水平，不但要順應(yīng)國際化市場的形式及發(fā)展，還要繼續(xù)加大對紙機(jī)控制系統(tǒng)性能的研究與應(yīng)用。對于紙機(jī)電氣傳動控制系統(tǒng)的設(shè)計其 主要的難點可歸結(jié)為：高穩(wěn)定性和可靠性是整個紙機(jī)控制系統(tǒng)的重要控制技術(shù)指標(biāo)也是其控制的難點；如何有效的去實現(xiàn)紙機(jī)整個傳動系統(tǒng)所需的大量數(shù)據(jù)的高速通信及其控制；在紙機(jī)高速運行生產(chǎn)時，針對負(fù)荷分配和張力所控制對象的非線性和耦合性如何去有效地實施控制；如何消除變頻器和整個控制網(wǎng)絡(luò)的的通信易受外界環(huán)境的干擾而引起的整個控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定 [9] [10][11][12]。成漿池中的漿料通過上漿流送系統(tǒng)輸送到紙機(jī)的流漿箱，再經(jīng)過紙機(jī)的網(wǎng)部、壓榨部、干燥部及壓光部后，紙漿被制成原紙，又經(jīng)過機(jī)外涂布部和復(fù)卷機(jī)的加工，原紙被加工成成品紙。 碎漿 :通常使用水力碎漿機(jī)將成品漿 (如槳板 )分散在水中形成泥漿或懸浮液。 磨漿 :磨漿或打漿的作用是為了通過回轉(zhuǎn)刀片的機(jī)械作用改變紙漿的纖維狀態(tài)，使其達(dá)到抄紙配料所需最佳狀態(tài)，使用的設(shè)備通常是磨盤。 漿板白水白水 濕損紙濕損紙干損紙干損紙干損紙紙機(jī)干部系統(tǒng)漿料準(zhǔn)備系統(tǒng)紙機(jī)濕補(bǔ)系統(tǒng)排放回用填料白水回收系統(tǒng)損紙回收系統(tǒng)成品分切卷取壓光干燥壓榨部付輥網(wǎng)部流送系統(tǒng)混漿磨漿漿料初步進(jìn)化碎漿 圖 21造紙工藝流程圖 1 7 網(wǎng)部 :該部是紙頁成形部位，其原理是通過逐步增大的真空脫水作用，使流漿在網(wǎng)部成形。 涂布部 :紙機(jī)的涂布部是干部的重要組成部分也稱作施膠部，其主要作用是在原紙的表面涂上一定量配比的涂料，以提高紙張的外觀或使用特性。 卷紙部 :該部將成品的紙張卷成規(guī)定的紙卷，近幾年所投產(chǎn)的具備輥庫設(shè)備的卷紙 8 機(jī)不但具有自動換輥的功能，而且還具有對紙機(jī)的張力控制及其所產(chǎn)紙張的長度顯示的功能，尤其還可以通過其輔助的控制部分多方式的控制去實現(xiàn)紙機(jī)的單動、聯(lián)動等控制，在卷紙機(jī)生產(chǎn)運行時其轉(zhuǎn)速的計算公式如下 [11]： 22 16 0 6 022vvn r vtr? ?? ?????? （ 21） 式中： n 一 卷紙機(jī)的轉(zhuǎn)速 (r／ min)； v 一 紙張幅度的運行速度 (m／ min)； ? 一 紙張的厚度 (m)； 1r 、 2r 一卷紙輥的始、末半徑 (m)。 紙機(jī)功率的計算 紙機(jī)的功率消耗主要是指在實際生產(chǎn)運行中所有傳動裝置的輸入功率在單位時間內(nèi)用于克服軸承間輥筒之間的滾動摩擦以及刮刀對輥面和烘缸表面的摩擦等所耗的功率。 (m／ min)]） 備注 長網(wǎng)部 普通壓榨輥 真空壓榨輥 光澤壓榨輥 烘干部 壓光部 輥數(shù) 8時 滾筒式卷紙機(jī) 新聞紙或印刷紙等 牛皮紙 10 一般而言，干燥部的功率消耗占造紙機(jī)全部功率的 25％ 40％，而伏輥和壓光機(jī)則各占 12％ 17％。 圖 23 4400／ 600紙機(jī)現(xiàn)場實物圖 11 紙機(jī)的種類不同，其所需要配置的傳動參數(shù)也就不同，這里結(jié)合紙機(jī)的具體工藝流程及實際生產(chǎn)情況，上文所述項目中的 4400／ 600紙機(jī)所需要控制的 主要傳動點其基本配置參數(shù)如表 22所示 [41]: 表 22 4400／ 600紙機(jī)的基本主傳動配置參數(shù) 序號 傳動點部位 所配電機(jī)功率 /Kw 傳動點數(shù)量 備注 1 面網(wǎng)付輥 132 1 符合分配 從 2 面網(wǎng) 復(fù)合輥 75 1 符合分配 主 3 芯網(wǎng) 驅(qū)動輥 160 1 符合分配 主 4 芯網(wǎng)復(fù)合輥 110 1 符合分配 從 5 底網(wǎng)助動輥 45 1 負(fù)荷分配 主 6 真空付輥 315 1 負(fù)荷 分配 從 7 底網(wǎng)驅(qū)動輥 355 1 負(fù)荷 分配 主 8 真空吸移輥 55 2 負(fù)荷 分配 從 9 大 壓榨輥 132 4 負(fù)荷 分配 主 10 第 1組烘缸 160 1 分部傳動 11 第 3組烘缸 360 2 分部傳動 12 第 4組烘缸 160 1 分部傳動 13 施膠機(jī) 45 2 分部傳動點張控制 14 主壓上輥 200 1 負(fù)荷分配 主 15 主壓下輥 200 1 負(fù)荷分配 從 16 水平圓筒卷紙機(jī) 75 1 分部傳動點張控制 17 引紙輥助動 4 6 分部傳動點張控制 18 卷紙輥助動 1 分部傳動點張控制 19 引紙繩傳動 22 2 分部傳動點張控制 紙機(jī)對控制 系統(tǒng)的要求 在如今倡導(dǎo)追求綠色節(jié)能可持續(xù)發(fā)展的社會大背景下，人們對紙機(jī)性價比的要求及 12 其智能化生產(chǎn)的要求也越來越高，現(xiàn)如今所設(shè)計的紙機(jī)的電氣傳動控制系統(tǒng)與以往相比有較大區(qū)別，大多數(shù)都在研究設(shè)計并采用具有全數(shù)字信號通訊控制的現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)，整個紙機(jī)生產(chǎn)線的控制通過上位機(jī)或現(xiàn)場的操作面板就可以集中或部分的去控制各個生產(chǎn)流程，逐步實現(xiàn)了無人現(xiàn)場操作化的現(xiàn)代工廠，推動了造紙工業(yè)自動化技術(shù)水平的發(fā)展邁向了新的階段。 表 23紙機(jī)各分部的速比 分部名稱 紙機(jī)的 速比（單位： %） 付輥 第一壓榨部 第二壓榨部 第三壓榨部 烘干部 壓光部 卷紙機(jī) 一般工業(yè)用紙（如羊皮紙） 8991 9495 9798 100 書寫紙和印刷紙等 9697 100 13 (2)為了適應(yīng)紙機(jī)生產(chǎn)不同品種、不同定量的紙張，要求紙機(jī)有較寬的調(diào)速范圍，一般情況下設(shè)定調(diào)速的范圍為：專用造紙機(jī) (如新聞紙 )的調(diào)速范圍是 l： ()、生產(chǎn)印刷紙和書寫紙的紙機(jī)的調(diào)速范圍是 l： 生產(chǎn)工業(yè)用紙及高級紙的紙機(jī)的調(diào)速范圍是1:(810)，則就可以較好的滿足紙機(jī)生產(chǎn)不同品種、不同定量的紙張的要求。 (5)據(jù)日本工業(yè)界權(quán)威人士認(rèn)為，產(chǎn)品的可靠性是未來世界市場競爭的焦點，如果可靠性能夠提高 1％，那么即使成本提高 10％也是劃算的?，F(xiàn)場總線的通信結(jié)構(gòu)簡單、傳輸高且穩(wěn)定，非常適合應(yīng)用于 PLC與現(xiàn)場分散的 I/O設(shè)備之間的通信 [17]。 ProfibusDP是一種可以替代 DC24V或 ，其數(shù)據(jù)通信率高且成本低， 主要應(yīng)用于工業(yè) 現(xiàn)場設(shè)備層的控制系統(tǒng)和車間級及以上的 I/O的數(shù) 15 據(jù)通信傳輸；帶有本征安全規(guī)范特性的 ProfibusPA，是為過程自動化專門設(shè)計的，并且執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器位于同一根總線上； ProfibusFMS是一種具有令牌功能結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，具有較強(qiáng)的實時性，其主要應(yīng)用在整個控制系統(tǒng)的車間級層 [20]。 (2)智能化 :由于工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備采用了現(xiàn)場總線的控制網(wǎng)絡(luò)，就可以把控制系統(tǒng)所需的各種信號以數(shù)字的方式傳送到控制室，并且在現(xiàn)場就可以完成相應(yīng)的功能操作，還可以提供更加豐富的生產(chǎn)過程信息，除傳輸測量控制的狀態(tài)與數(shù)值信息外，還可提供參數(shù)調(diào)整、故障診斷、閥門開關(guān)的動作次數(shù)等信息，提高了系統(tǒng)的智能化操作水平。 (5)分散控制采用 :該技術(shù)可以使整體控制系統(tǒng)分散為若干個子系統(tǒng)去單獨控制，其信號的 輸入、輸出、控制功能模塊置入現(xiàn)場設(shè)備，實現(xiàn)了現(xiàn)場的實際控制。 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)的開放系統(tǒng)互連 (OSI)協(xié)議，是為計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)而制定的 7層參考模型，只要網(wǎng)絡(luò)中索要處理的要素是通過共同的路徑進(jìn)行通信，則該參考模型就適用于任何網(wǎng)絡(luò) [22]。 PROFIBUSPA側(cè)重于過程自動化，使用總線供電的傳輸技術(shù)和通信協(xié)議， 是 PROFIBUSDP在現(xiàn)場級通信的擴(kuò)展，并采用PROFIBUSDP基本功能實現(xiàn)實時過程數(shù)據(jù)的傳輸。PROFIBUS通過采用差分電壓輸出的 RS485實現(xiàn)電流連接， PROFIBUSDP與 FMS的物理層采用 RS485傳輸技術(shù)，傳輸距離與傳輸速率有關(guān)，傳輸速率 ． 12Mbps，傳輸距離為 1001200m。 FLC對服務(wù)站點 (SAP)的管理和低層接口提供相關(guān) 的緩沖器，并對有效的低層接口 LLI第 2層服務(wù)進(jìn)行規(guī)定； FMAl/2負(fù)責(zé)完成設(shè)定第 1層 PHY和第 2層 MAC的特定總線參數(shù)： FLC和 LLI之間的服務(wù)訪問點只有通過第2層的 FMAI／ 2子層才能進(jìn)行相應(yīng)的激活或撤銷，與應(yīng)用層所對應(yīng)的更高子層 (FMA7)則接受第 l、 2層可能出現(xiàn)的錯誤事件。為了將過程對象轉(zhuǎn)換為通信對象，在第 7層的上層開發(fā)了應(yīng)用層接口 ALI。 表 31最大段長度與波特率的關(guān)系 波特率 （ kbit/s） 500 1500 12020 20 段長度 /m （ A型電纜） 1200 1200 1200 1000 400 200 100 段長度 /m （ B型電纜） 1200 1200 1200 600 200 光纖的傳輸 一般情況下，在工業(yè)現(xiàn)場比較惡劣而又對電磁干擾要求相對較高且通信數(shù)據(jù)傳輸率也比較高的場合往往使用光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸， PROFIBUS系統(tǒng)在使用光纖進(jìn)行時數(shù)據(jù)傳輸?shù)目梢砸罁?jù)實際現(xiàn)場情況設(shè)計成星形或環(huán)形的網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)。 RS485的差分平衡電路如圖 36所示， A導(dǎo)線上的電壓與 B導(dǎo)線上的電壓方向相反大小相等，兩導(dǎo)線的差值為接收器的輸入電壓 [24]。終端電阻設(shè)置在 PROFIBUS插頭上，可根據(jù)需要接入 (On)和切除 (Off)，當(dāng)需要中斷出線端口“ Out”后面的網(wǎng)段的信號時，把終端的電阻設(shè)置為“ On”即可。 PROFIBUSDP 系統(tǒng)組成 PROFIBUS— DP系統(tǒng)的設(shè)備由主站 (包括 l類主站和 2類主站的主動站 )和從站 (被動站 )