【正文】 及技術專家經(jīng)過長時期的探索逐步積累了相關的經(jīng)驗并對技術進行了改進，至今文化紙機的車速可以達到850m/min、紙張的幅度寬為4600mm左右，白板紙機的正常生產(chǎn)車速也已經(jīng)可以達到650m/min、生產(chǎn)幅寬為4850mm，瓦楞紙機的車速為800m/min、生產(chǎn)幅寬為6600ram，以上紙機的機械裝備及工業(yè)技術除了個別關鍵設備及技術引進國外，其他的機械設備及技術，我國幾乎都可以完全自我解決。圖11紙機傳動控制系統(tǒng)方框圖隨著現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信技術的發(fā)展及造紙裝備技術水平的不斷提高，紙機電氣傳動系統(tǒng)也進入了以網(wǎng)絡通信技術為核心的發(fā)展時期，各類紙張的生產(chǎn)車速越來越高且其幅寬也越來越寬，對紙機生產(chǎn)的操作也逐漸智能化，該趨勢將成為今后紙機發(fā)展的主要方向。 本文研究主要內容在紙機的傳動控制系統(tǒng)中，電動機的速度控制是設計的難點也是重點，因為它直接受紙機的張力、速度、負荷等不穩(wěn)定的變量和參數(shù)影響以及被影響著，它直接關系到整個紙機控制系統(tǒng)生產(chǎn)運行的可靠性及控制精度，因此，設計紙機電氣傳動控制系統(tǒng)的關鍵點在于：速度鏈的控制，在紙機的電氣傳動控制系統(tǒng)中，其負荷分配和張力等主要方面的控制都將遞歸到去控制整個系統(tǒng)的速度鏈；紙機各分部工作次序的復雜控制，其控制直接影響著紙機的正常生產(chǎn)，比如紙機各分部間及整體的單動、聯(lián)動的動作等。因此，現(xiàn)場總線通信技術的特點及應用和設計、PLC與變頻器相關控制系統(tǒng)的設計方法及選型等，最終結合某紙廠紙機的工藝結構及要求設計基于ProfibusDP總線的紙機傳動控制系統(tǒng)，利用PLC的模塊化設計的方法的思想，以上位機、PLC和變頻器構成三級網(wǎng)絡控制系統(tǒng)實現(xiàn)紙機整個傳動組與各分部傳動的復雜控制以及各控制部分間數(shù)據(jù)的高速傳輸，在此基礎上結合二叉樹算法進一步的達到對整個紙機的速度控制,負荷分配控制以及其他相關輔助連鎖控制等控制的要求。濕部主要由上將流送系統(tǒng)、網(wǎng)部、壓榨部等部分構成；干部主要由烘干部和涂布部以及卷紙部等部分組成。一般較通用的造紙典型工藝流程如圖21所示，有時也可以簡化為在參考文獻上比較多見的圖22所示的流程圖，現(xiàn)就其流程的主要工序做下介紹。對于單獨造紙工廠，漿料準備從碎漿開始，直至漿料流送系統(tǒng)，漿料準備的目的是制備能夠達到抄造條件的紙漿和助劑，因此需要預先處理各配料組分，然后將所有組分連續(xù)均一地混合，一般情況下其具體工藝有為碎漿、磨漿、漿料凈化、混漿。此工序分為連續(xù)和間歇兩種，最終達到漿送要求。目前使用的設備主要是除砂器和壓力篩?；鞚{：混漿的作用是為了得到連續(xù)均一穩(wěn)定的材料，保持后續(xù)流送系統(tǒng)的穩(wěn)定。流漿箱:其作用是接受沖漿泵送來的漿料，將管道漿流轉換成與紙機勻稱的寬度，并在紙機縱向形成均一流速的矩形漿流，其基本原理都是利用紙漿的重力或施加的壓力，通過堰般控制流量，將流漿均一勻速地流送到網(wǎng)部。根據(jù)紙張不同，成形網(wǎng)可分為單網(wǎng)、雙網(wǎng)、三網(wǎng)，其中單網(wǎng)是常用的成形部，根據(jù)其形狀可分為長網(wǎng)和圓網(wǎng)，不同類型的紙機其網(wǎng)部具有不同的傳動控制，其中單網(wǎng)網(wǎng)部的傳動控制依據(jù)其傳動點只要有～組負荷分配即可，多網(wǎng)網(wǎng)部需要具備單網(wǎng)所有的負荷分配的控制，同時對各網(wǎng)之間的速差的比值也有一定的要求，所以多網(wǎng)對控制策略的要求更高。 (3)紙機干部干燥部:該部通過熱蒸發(fā)脫去殘余的水分，濕紙幅經(jīng)過一系列旋轉的蒸汽烘缸，水分被蒸發(fā)掉并通過排風被帶走，是提高高速紙機性能的重要環(huán)節(jié)。基于人們對紙機運行車速日益提高的要求，涂布機也得到了較快的發(fā)展，對電氣傳動控制系統(tǒng)的要求也逐步增高，所以簡單的速度鏈結構的控制和對負荷分配的控制均已無法很好地滿足涂布生產(chǎn)運行過程的需要，據(jù)此本文可采用基于現(xiàn)場總線的系統(tǒng)結構來解決這個問題[11] [43]。本文所述的紙機是帶有1個傳動點的四輥壓光機，通過這僅有的傳動點與紙機整個傳動部分上速度鏈相連接來實現(xiàn)其運行；在正常工作運行時該部退紙輥的電動機處于發(fā)電狀態(tài)，其它兩點則相應的置于電動狀態(tài)，因此采用基于現(xiàn)場總線的PLC控制對其張力進行控制的方法解決紙張耦合作用的問題[11]。由此可知，在卷紙機正常生產(chǎn)運行時要保持其與前后分部所設計的速度比值的關系，則要求卷紙機滾筒的速度實時的隨著所卷曲紙張的厚度的增大而不斷降低，僅僅依靠對整體速度鏈的控制不能保證紙幅卷曲的相對平穩(wěn)，所以需要在卷紙機及其紙機的其他分部去實施相應的張力控制以確保紙頁的良好卷曲。 紙機生產(chǎn)能力的計算紙機的生產(chǎn)能力是人們判斷及選購紙機的最關鍵參考因素，也是工程技術人員對其設計相關控制系統(tǒng)所需要參考慮的最重要的技術數(shù)據(jù)，其生產(chǎn)能力的計算公式如下[1]： （22）式中：一造紙機運行生產(chǎn)的能力(t/d)；一造紙機的車速(m／min)；一紙的抄寬(m)；一紙的定量(g/m2)；一抄造率，即紙機正常產(chǎn)紙運行時的比率，；一成品率，即所生產(chǎn)合格品的比率，對一般紙張要求達到93％98％,對薄葉紙張要求達到88％90％；一平均日作業(yè)時間，即除換網(wǎng)、換毛毯及小修等，平均每晝夜運轉的小時數(shù)，；通常講的一臺紙機生產(chǎn)規(guī)模是指該紙機的年生產(chǎn)能力，計算時以日生產(chǎn)能力乘以330～345即得，這是指每年扣除1530d的大中修時間。單位指標法是一種估算紙機功率消耗的方法，它能夠對紙機在實際生產(chǎn)運行中消耗的功率進行較準確的測定，然后再以lm的紙機幅度寬和車速為lm／min時來計算所需用的功率，計算公式如下[41]： （23）式中：一單位功率耗用指標，kW／[m表21在紙機上耗用功率的平均單位指標紙機的分布耗用的單位指標（kW／[m當紙機空運轉時，其功率大致為生產(chǎn)紙張時的70％75％，出紙時，伏輥和壓光機的負荷有顯著的增加。紙機因其所生產(chǎn)的紙類不同而其機械結構形式、工作車速、紙幅寬度等技術參數(shù)也就不同，所以各自所對應的控制系統(tǒng)的具體要求也就不一樣，本文結合2010至201 1年度陜西西微測控工程有限公司(原陜西科技大學微機測控研究所)與陜西西安某紙廠所合作的4400／600紙機電氣傳動控制系統(tǒng)的設計項目，其現(xiàn)場實物如圖23所示，并以該項目的紙機為例可得出如下主要基本參數(shù)：生產(chǎn)品種：高強瓦楞紙；紙張定量：100．1509／m2；凈紙寬度：4400 mm；工作車速：450600 m／min；傳動車速：600 m／min；傳動形式：變頻傳動。 現(xiàn)根據(jù)紙機的工藝流程及其項目所對應的工作車速和幅寬，并結合紙廠的具體情況，紙機的傳動系統(tǒng)是一個較為復雜的控制系統(tǒng)，其傳動點多，幾個傳動點帶動一個負荷運動等，在保證紙機正常運行的情況下如何提高紙機的動、靜穩(wěn)態(tài)精度、高速化與智能化的水準，得出如下紙機對控制系統(tǒng)的主要具體要求為： (1)紙機傳動控制系統(tǒng)最重要的一個技術指標就是維持車速的穩(wěn)定，紙機工藝的改變、機械傳動條件的變化、電源電壓的波動及網(wǎng)和毛氈的清潔度等都會帶來車速的不穩(wěn)定，最終造成紙張定量的波動及斷頭，給企業(yè)帶了不必要的損失，所以對其速度控制的靜態(tài)精度≤％、動態(tài)精度≤％，兩個相鄰分部之間的速比控制精度≤％，在有干擾時的短時間內其速度偏差≤％，在加速和制動的過程中其定速期間的短時間內的張力的控制精度≤2％，從定速轉換到加速或制動狀態(tài)時的張力的控制精度≤5％，只有滿足以上要求，才能在動、靜態(tài)的調整中使紙機得到快速的響應，確保紙機正常高效的生產(chǎn)[16]。假設烘干部的車速為100％，且烘干部各組的車速相同，列出了表23中幾種紙機各分部速比的數(shù)據(jù)[41]。(3)紙機傳動的各個分部之間要能夠形成一個良好的動態(tài)性能的速度鏈結構，各分部應具備停止、爬行、運行、微升、微降、點動、正向點動(烘缸)、反向點動(烘缸)、點張、投張／失張、張力給定等功能，且相關聯(lián)的各傳動分部之間應具有單動、聯(lián)動的功能。(4)現(xiàn)代紙機的運行負載基本上是一個恒轉矩負載，要求其負荷均衡，所以須要選用具有恒定轉矩特性的變頻器且具備較高的頻率分辨率和良好的通訊性能。假設一臺4400/600高強瓦楞紙機日生產(chǎn)能力為220t/D，如停機一小時則就會造成損失3．5萬元人民幣，所以為了不斷提高紙機的安全可靠性，避免其因各種故障停機而造成的損失，現(xiàn)代紙機需要具備對速度、電流、負荷、速差、狀態(tài)、微調、負荷分配關系、故障提示等現(xiàn)場的各種信號的監(jiān)視功能。3 現(xiàn)場總線技術的分析及應用研究 現(xiàn)場總線技術的概述PROFIBUS是由Siemens等公司組織研發(fā)的一款性能優(yōu)越且具備較大開放性的現(xiàn)場總線，它符合歐洲和國際的通信技術標準，并于2001年成為我國的機械行業(yè)標準(JB/)?，F(xiàn)代控制系統(tǒng)一般包括裝有監(jiān)控軟件的上位機、PLC系統(tǒng)、執(zhí)行軟件和通信網(wǎng)絡，對于本文所述的電氣傳動控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡來說，它包括上位機與PLC通信及PLC與自動設備的通信。圖31 Profibus現(xiàn)場總線連接示意圖PROFIBUS通信主要由ProfibusDP(車間級通信)、ProfibusPA(現(xiàn)場級通信)和ProfibusFMS(工廠級通信)三個相互兼容的部分組成，如圖3一l所示，每一級可采用不同的通信方式[19]。PROFIBUS連接的系統(tǒng)由主站和從站組成，主站和從站可以是一個，也可以是多個。 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的特點及優(yōu)點現(xiàn)場總線的系統(tǒng)在技術研發(fā)及應用上擁有以下特點[17][21][22]:(1)開放性:現(xiàn)場總線是開放式的網(wǎng)絡，用戶可以購置不同廠家的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，把它們集成在一個控制系統(tǒng)中，并進行相互的信息交換。(3)相互操作性:其中包括了機器設備的可互換性以及對其的可互操作性。(4)適應環(huán)境性:該類總線能夠較好的去適應各種工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)環(huán)境，其主要表現(xiàn)在通信傳輸可以采用多種媒介，并具有較強的抗電磁干擾的性能，還可以采用總線的方式進行供電。由于現(xiàn)場總線技術的以上特點，使現(xiàn)場總線相關的控制系統(tǒng)從設計到現(xiàn)場的安裝與投運實際生產(chǎn)中進行運行及后期對相關設備的維護與改進，都體現(xiàn)出了它的應用的優(yōu)越性，其具體體現(xiàn)為節(jié)省硬件的投資以及安裝維護的成本，能夠對多復雜生產(chǎn)線的多變量進行檢測以及將數(shù)據(jù)進行傳輸，最大限度的減少了設備安裝的時間，為用戶對產(chǎn)品的選擇提供了更大的空間，在生產(chǎn)運行時能夠最大的提高數(shù)據(jù)的傳輸能力、增強信息管理及安全性等。針對PROFIBUS所設計的通信模型采用了0SI模型的第2和7層，并基于其通信的特性又在0SI模型相對應的第三層開設了現(xiàn)場總線專有的訪問子層，這種簡化后的通信模型在數(shù)據(jù)鏈路層中多數(shù)據(jù)通信的流量與差錯進行控制，這與OSI的模型有一定的差異，其對應關系如圖3—2所示[18]:OSI參考模型現(xiàn)場總線協(xié)議FF模型PROFIDPPROFIFMS應用層7應用層用戶層功能塊應用與設備描述用戶接口應用層接口表示層6應用層信息規(guī)范低層接口會話層5傳輸層4報文子層通信棧除去37層除去36層網(wǎng)絡層3總線訪問子層訪問子層數(shù)據(jù)鏈路層2數(shù)據(jù)鏈路層鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層物理層1物理層物理層物理層物理層圖32 0SI模型與部分現(xiàn)場總線通信模型的對應關系 現(xiàn)場總線的通信協(xié)議現(xiàn)場總線以數(shù)字通信為基礎，然而進行數(shù)據(jù)的通信就必須要有協(xié)議，因此現(xiàn)場總線就是一個定義硬件接口和通信協(xié)議的標準。目前，在生產(chǎn)現(xiàn)場總線及相關的產(chǎn)品時雖然沒有標準的協(xié)議，各生產(chǎn)單位還是以0SI標準協(xié)議為依據(jù)，選用OSI標準協(xié)議的第2和7層，并在此基礎上開發(fā)了第8層，即用戶層。參照ISO/OSI參考模型，PROFIBUS有3個版本，PROFIBUSDP側重于工廠自動化，使用RS485傳輸技術，3種DP通信協(xié)議版本和一種或多種典型工廠自動化的應用行規(guī)。如果PROFIBUSDP與PROFIBUSPA采用數(shù)據(jù)傳輸速率不同，那么這兩者之間數(shù)據(jù)的通信就需要使用DP/PA耦合器或DP/PA鏈路設備作為它們二者之間的網(wǎng)關。PROFIBUS只包含了OSI模型中的第l、2和7層，其協(xié)議層或子層結構如圖33所示:層次 OSI參考模型PROFIBUS層次模型8ALI(至應用過程)7應用層FMSFMA76表示層LLI5會話層無4傳輸層3網(wǎng)絡層FLCFMA1/22數(shù)據(jù)鏈路層MAC1物理層PHY圖33 OSI模型與PROFIBUS體系結構比較第1層(PHY)為物理層，規(guī)定了通信的媒介及其物理連接的方式和機械電氣特性。ProfibusPA采用IEC611582的傳輸技術，傳輸速率為31．25Kbps，傳輸距離與所掛接的站數(shù)有關，也可采用光纖傳輸技術。MAC對連接到傳輸媒體的總線存取方法進行了說明，由于PROFIBUS采用了一種混合的訪問控制方法使所有的設備不能在同一時刻傳輸，所以，在PROFIBUS主設備(Master Station)之間采用令牌控制方法，從設備(Slave Station)之間的信息傳遞采用主設備循環(huán)查詢從設備的方法實現(xiàn)，如圖34所示。圖34 PROFIBUS總線存取協(xié)議第7層的組成部分有低層接口(LLI)和PROFIBUS通信所規(guī)范的子層及現(xiàn)場總線管理(FMA7)，LLI集成OSI模型的第36層的功能，它將PROFIBUS通信所規(guī)范的子層服務一一對應到OSI模型第2層(FLC)的服務，具有監(jiān)控連接和傳輸數(shù)據(jù)的作用。PROFIBUS通信所規(guī)范的子層即可應用于通信的管理，也可以用于用戶的用戶數(shù)據(jù)分組，通過該層用戶才能對應用過程的通信對象進行訪問。 PROFIBUSDP的協(xié)議PROFIBUSDP主要應用于工業(yè)現(xiàn)場級的一種通信系統(tǒng)，其價位便宜且對數(shù)據(jù)的傳輸率可高達12Mbit/s，并可替代現(xiàn)場的24V或4．20mA的并行信號傳輸技術，它被設計成為自控制系統(tǒng)(如PLC等)和分散的現(xiàn)場設備(I/O、驅動器、閥門等)之間進行通信使用。用戶層DP設備行規(guī)DP基本功能和擴展功能