基于S7- 400PLC的三盤磨漿機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)(自動化)
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基于S7- 400PLC的三盤磨漿機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)(自動化)
湯 偉1，2 邱錦強(qiáng)1，2， * 劉慶立2 胡連華1,2
（1．陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安，710021；2．陜西科技大學(xué)自動化研究所，陜西咸陽，712000）
摘要：以制漿生產(chǎn)線為背景，以三盤磨漿機(jī)為主要控制對象，基于S7 - 400PLC、Profibus-DP總線、工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)構(gòu)建DCS，實(shí)現(xiàn)對磨漿機(jī)的全自動控制。實(shí)際運(yùn)行效果表明，該方案不僅進(jìn)刀時(shí)間短、調(diào)節(jié)速度快、超調(diào)量小，而且可以有效地保護(hù)盤磨機(jī)的磨盤．
關(guān)鍵詞：盤磨；占空比；恒功率
中圖分類號：TP273 DOI: 10．i1980/j．issn．0254-508X．2016. 05. 010
打漿是制漿造紙過程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過改變纖維的物理結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)行為來改善纖維特性，從而使抄造的紙張具有一定特性。由于原料多種多樣，同時(shí)打漿過程中還存在著很多擾動，這些因素會影響成漿質(zhì)量，因此有必要對打漿過程進(jìn)行自動控制。
對于打漿控制已研究了很多先進(jìn)的控制方式，鑒于成本、硬件穩(wěn)定性、算法實(shí)現(xiàn)性的考慮，國內(nèi)的打漿控制在很長的一段時(shí)間內(nèi)仍然是以恒功率控制方式為主。恒功率控制也稱棒。棒控制，控制流程是根據(jù)公式計(jì)算得到2個(gè)門檻功率，低功率段快速進(jìn)刀，高功率段慢速進(jìn)刀，設(shè)置的慢速進(jìn)刀的占空比是快速進(jìn)刀占空比的1/4。但是恒功率控制方式具有粗略、開環(huán)的缺點(diǎn)，其控制效果不穩(wěn)定，其設(shè)計(jì)的門檻功率也讓系統(tǒng)的參數(shù)整定變得更困難。本課題針對該缺點(diǎn)對控制方式進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了基于S7- 400PLC的三盤磨漿機(jī)控制系統(tǒng)，本文對此進(jìn)行介紹，以供參考。
1三盤磨漿機(jī)控制系統(tǒng)
1.1控制原理
在穩(wěn)定控制紙漿濃度和流量的基礎(chǔ)上，通過檢測打漿設(shè)備主電機(jī)功率傳感器，動態(tài)地對打漿設(shè)備的刀距進(jìn)行調(diào)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)對三盤磨漿機(jī)設(shè)備的控制。
通過調(diào)節(jié)出口定盤的移動，使動盤兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，從而間接調(diào)節(jié)動盤的移動，達(dá)到調(diào)節(jié)盤磨間隙的目的。間隙調(diào)節(jié)裝置為渦輪蝸桿調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)電機(jī)為0. 25 kW的變頻器專用VPWM電機(jī)。在工業(yè)過程控制中，常規(guī)的PID控制器因?yàn)槠渥陨硖匦哉紦?jù)了95%的工業(yè)過程，但是其最大的缺點(diǎn)就是PID參數(shù)難以整定，并且一般情況下都會產(chǎn)生超調(diào)，而進(jìn)刀過大，使磨盤間隙過小，嚴(yán)重時(shí)會發(fā)生碰刀事故，顯然在盤磨機(jī)進(jìn)退刀的控制上超調(diào)非常危險(xiǎn)。
但是簡單的恒功率控制不夠靈活，對紙漿濃度、流量等其他因素的變化比較敏感，不能簡單有效地控制盤磨機(jī)。為此筆者在項(xiàng)目中結(jié)合具體設(shè)備，對恒功率控制進(jìn)行改良，設(shè)計(jì)了隨功率變化的脈沖控制器。
1.2脈沖控制器的設(shè)計(jì)
為了使盤磨機(jī)從啟動開始迅速進(jìn)入到正常磨漿狀態(tài)，將整個(gè)過程分為3個(gè)階段進(jìn)行控制。同時(shí)需要確定3個(gè)功率值，分別是空載功率P0、有效功率PR正常工作功率PW�？蛰d功率即盤磨主機(jī)電機(jī)空轉(zhuǎn)未拖動負(fù)載時(shí)的功率；有效功率是快速進(jìn)刀階段后盤磨機(jī)的主電機(jī)功率；正常工作功率是滿足工藝要求（一般為打漿度指標(biāo)）的情況下，盤磨機(jī)主電機(jī)的工作功率。
盤磨機(jī)啟動過程如圖1所示。由圖1可以看出，盤磨機(jī)啟動過程分3個(gè)階段：①主電機(jī)啟動至穩(wěn)定狀態(tài)。由于三盤磨漿機(jī)配用的主電機(jī)功率較大，需要通過軟啟動器啟動，當(dāng)主電機(jī)開啟之后，功率穩(wěn)定在空載功率P0時(shí)，才能夠開啟上漿泵。避免漿料泵送過早導(dǎo)致主電機(jī)帶負(fù)載啟動而導(dǎo)致啟動失敗。所以此階段，盤磨機(jī)功率設(shè)定為空載功率P0。②主電機(jī)功率上升到有效功率PE階段。上漿泵啟動之后，盤磨機(jī)開始進(jìn)料，此時(shí)盤磨機(jī)主電機(jī)功率開始上升，當(dāng)流量、壓力、濃度等過程變量都上升至最低打漿界限時(shí)，調(diào)節(jié)電機(jī)開始進(jìn)刀，功率開始上升。三盤磨漿機(jī)的定盤及動盤的初始磨盤間隙較大，盤磨機(jī)的空轉(zhuǎn)、機(jī)械摩擦、紙漿的泵送以及漿料溫升消耗了大部分的功率。有效功率PE是這些損耗功率的和，當(dāng)盤磨機(jī)主電機(jī)功率超過有效功率PE時(shí)，對漿料才有打漿效果。③進(jìn)入正常工作功率階段。當(dāng)盤磨機(jī)主電機(jī)功率達(dá)到有效功率PE時(shí)，停止進(jìn)刀，進(jìn)退刀的選擇、快慢速的切換由控制算法決定。此時(shí)，動盤與定盤間隙較小，為了保護(hù)磨盤，同時(shí)為了保護(hù)這個(gè)階段控制器控制效果的平穩(wěn)性，功率設(shè)定值不能突變，而是沿著斜坡攀沿上升的。這樣可以保證實(shí)際功率也是平穩(wěn)上升的。
由上述3個(gè)階段可以看出，盤磨機(jī)控制中，最重要的是由有效功率PE過渡到正常工作功率Pw的過程，如何保證這一階段平穩(wěn)安全并且準(zhǔn)確地到達(dá)設(shè)定狀態(tài)，是盤磨機(jī)控制的難點(diǎn)也是最重要的一部分。
為此，專門設(shè)計(jì)了盤磨機(jī)進(jìn)退刀控制算法，定義了誤差百分比e，其定義公式見式(1)。
式中，e代表實(shí)時(shí)功率值與設(shè)定值的差值在整個(gè)量程中所占的百分比，SP為設(shè)定的正常工作的磨漿功率，PV為盤磨機(jī)主電機(jī)實(shí)時(shí)功率，SPMAX為盤磨機(jī)主電機(jī)的最大功率。
e越大則代表盤磨機(jī)的當(dāng)前功率距離設(shè)定的工作功率的差值越大，所需要的脈沖的占空比越大；e越小則表示越接近工作狀態(tài)，進(jìn)刀脈沖占空比不能過大。因此，e值的大小就可以表示盤磨機(jī)當(dāng)前狀態(tài)下需要進(jìn)行進(jìn)退刀行程的大小，可以e為核心變量構(gòu)建脈沖控制器。
隨著工藝要求的不同，磨漿所需要的功也是隨之變化的，但是盤磨機(jī)主電機(jī)功率范圍是固定的(0—375 kW)。使用設(shè)定值與實(shí)時(shí)值的差值絕對值與測量范圍的比值進(jìn)行脈沖觸發(fā)器的構(gòu)建，可以避免在設(shè)定值不同時(shí)產(chǎn)生不同的控制效果。
之后，在e的基礎(chǔ)上構(gòu)建占空比（一般用q表示）函數(shù)。設(shè)計(jì)原則是當(dāng)e值越小，變頻器輸出給調(diào)節(jié)電機(jī)的脈沖占空比越小。當(dāng)e值接近設(shè)定值時(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)固定占空比為1/10，并且在設(shè)定值附近設(shè)計(jì)一定的死區(qū)。
設(shè)計(jì)脈沖基本長度為2s，經(jīng)過調(diào)試得到用于調(diào)節(jié)間距的占空比表達(dá)式見式(2)。
式中，q表示的是輸出脈沖的占空比。
當(dāng)SP值不變時(shí)，隨PV值逼近SP值時(shí)，以一次調(diào)試過程為例，脈沖占空比隨PV的變化如圖2所示。
在功率從有效功率PE (160 kW)上升到正常工作功率PW (308 kW)的過程中，隨功率上升，變頻器輸出的脈沖占空比不斷減小，且工作狀態(tài)為慢速進(jìn)刀。在靠近PE時(shí)，占空比會保持在0.1，這是因?yàn)樵谡{(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，過小的脈沖不足以驅(qū)動間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。當(dāng)實(shí)時(shí)功率稍微超過設(shè)定功率時(shí)，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)慢速退刀，使盤磨機(jī)維持恒功率打漿。
另外，在軟硬件上設(shè)計(jì)了諸多連鎖來保護(hù)磨漿設(shè)備，主要包括：密封水流量小于最小值；盤磨機(jī)進(jìn)料口壓力小于低限，出料口高于高限；盤磨機(jī)出口漿溫超限；盤磨機(jī)流量上下限；功率變送器離線報(bào)警。
2 盤磨機(jī)控制運(yùn)用
上述的三盤磨機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用于河北保定某衛(wèi)生紙廠的生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線以3臺盤磨機(jī)和多圓盤為核心，結(jié)合原有生產(chǎn)線的白水組成了一條集制漿、纖維回收為一體的紙漿生產(chǎn)線。
2.1 盤磨機(jī)系統(tǒng)的組態(tài)實(shí)現(xiàn)
整條生產(chǎn)線以S7- 400PLC為核心，Profibus-DP總線以及工業(yè)以太網(wǎng)組成3級DCS，具體系統(tǒng)組態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，通過從站ET200上的I/O擴(kuò)展模塊與現(xiàn)場的三盤磨漿機(jī)、多圓盤及其外圍儀表設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。主站支持硬件冗余，通過Profibus-DP總線電纜與從站通信。主站與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過雙絞線連接。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)包括2個(gè)操作員站、1個(gè)
冗余操作員站和1個(gè)工程師站。
上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用PCS集成的WINCC7.0組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，主要包括備漿流程顯示、盤磨運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、多圓盤運(yùn)行顯示以及報(bào)表系統(tǒng)。操作員站A、操作員站B分別對盤磨機(jī)和多圓盤部分進(jìn)行操作和監(jiān)控，加上冗余操作員站，三者之間畫面均可以無擾切換，保證突發(fā)情況下系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
具體盤磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)畫面如圖4所示，單臺盤磨機(jī)需要用到的是參數(shù)設(shè)置，調(diào)節(jié)電機(jī)狀態(tài)和報(bào)警信息。參數(shù)設(shè)置畫面主要用于實(shí)際工藝情況調(diào)節(jié)盤磨機(jī)正常工作功率，以及顯示盤磨機(jī)磨漿過程中的空載功率和有效功率。調(diào)節(jié)電機(jī)狀態(tài)在調(diào)試初期和故障修理時(shí)用于調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的調(diào)零，當(dāng)調(diào)試完成，調(diào)節(jié)電機(jī)的手動控制方式將被鎖定，調(diào)節(jié)電機(jī)的動作將由DCS進(jìn)
行控制，避免因操作工誤操作而發(fā)生碰刀的情況。盤磨機(jī)報(bào)警信息畫面主要是顯示盤磨機(jī)連鎖保護(hù)中涉及的各項(xiàng)過程變量的狀態(tài)，便于檢查以及排除故障。
2.2盤磨機(jī)運(yùn)行效果
從歸檔的數(shù)據(jù)曲線與漿料實(shí)際打漿度的測量情況來看，在這套控制方案下，盤磨機(jī)運(yùn)行情況穩(wěn)定，各項(xiàng)數(shù)據(jù)、運(yùn)行曲線都在程序設(shè)定的范圍內(nèi)。
當(dāng)漿料濃度偏高時(shí)，盤磨機(jī)開磨過程的功率上升曲線如圖5所示。漿料濃度過高導(dǎo)致盤磨機(jī)進(jìn)刀時(shí)會出現(xiàn)功率超限的情況，此時(shí)連鎖保護(hù)程序?yàn)榱吮Ｗo(hù)刀片，系統(tǒng)會執(zhí)行快速退刀的指令，重新從有效功率開始爬升，說明本系統(tǒng)可以有效地保護(hù)磨盤。
圖6描述的是一次順利開磨的情況，最后一次進(jìn)刀時(shí)的功率超過了正常工作設(shè)定功率，但是并沒有超出報(bào)警上限。此時(shí)控制脈沖與慢速進(jìn)刀時(shí)相同，間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由進(jìn)刀變成退刀，最終將功率穩(wěn)定在設(shè)定值，所設(shè)計(jì)的控制算法可以有效地將功率穩(wěn)定在設(shè)定值。
由圖5和圖6的盤磨機(jī)功率上升曲線表明，在這種控制方式下盤磨機(jī)啟動時(shí)間在4 min之內(nèi)就可以進(jìn)入正常工作狀態(tài)。
3結(jié)語
本課題以制漿生產(chǎn)線為背景，以三盤磨漿機(jī)為主要控制對象，基于S7-400PLC、Profibus-DP總線、工業(yè)以太網(wǎng)通信構(gòu)建DCS，使用功率差值百分比數(shù)來構(gòu)建脈沖占空比函數(shù)，并且將盤磨機(jī)控制分成3個(gè)階段采取不同的進(jìn)退刀方式。實(shí)際運(yùn)行效果表明，這種控制方式具有進(jìn)刀時(shí)間短、調(diào)節(jié)速度快、超調(diào)量小并且可以有效地保護(hù)盤磨機(jī)磨盤的優(yōu)點(diǎn)。
