在紙機分部傳動(dòng)系統中, 多臺電機的同步傳動(dòng)控制（無(wú)論交流傳動(dòng)還是直流傳動(dòng)） 問(wèn)題是傳動(dòng)控制系統的關(guān)鍵, 它直接影響系統的可靠性和控制精度, 影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。尤其是對于高速紙機, 由于系統動(dòng)態(tài)性能要求的提高和不確定因素的增多, 使得其同步傳動(dòng)控制問(wèn)題變得更加復雜和困難。紙機的同步傳動(dòng)控制非常復雜, 具體表現在以下幾個(gè)方面: ①系統變量多、參數多, 例如張力、速度、電流、電壓、負載等; ②交流電動(dòng)機的非線(xiàn)性; ③負載的不確定性;④多電機間性能的不匹配; ⑤多電機之間存在耦合。因此, 如何利用先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)設備來(lái)實(shí)現紙機同步傳動(dòng)控制, 獲得最大同步傳動(dòng)速度, 提高紙的質(zhì)量和系統運行的安全可靠性, 已成為造紙企業(yè)亟待解決的難題和研究熱點(diǎn)。本文選用可編程計算機控制器（PCC-Programmable Computer Controller） 來(lái)組成分層遞階式交流變頻網(wǎng)絡(luò )控制系統, 大大節約了設計時(shí)間, 并提高了紙機傳動(dòng)控制系統通信速度與質(zhì)量, 穩定性高, 實(shí)時(shí)性好且易于擴展。

1、紙機傳動(dòng)控制系統
    傳動(dòng)控制是整個(gè)紙機控制的基本回路, 其必須完成速度鏈控制、張力控制, 并需考慮負荷分配問(wèn)題。以3400/ 250 牛皮白紙板機為例, 主傳動(dòng)共17 個(gè)傳動(dòng)點(diǎn), 包含芯網(wǎng)驅網(wǎng)輥、成形輥, 襯網(wǎng)伏輥、成形輥,面網(wǎng)伏輥、成形輥, 底網(wǎng)真空伏輥、驅網(wǎng)輥, 第1 導網(wǎng)輥, 真空吸移輥, 真空壓榨輥, 大輥徑壓輥（ 4組） , 光壓下輥, 烘缸傳動(dòng)（4 組） , 施膠輥, 壓光機下輥, 卷紙缸傳動(dòng),總傳動(dòng)功率為1117kW。通過(guò)研究紙機傳動(dòng)控制的特點(diǎn), 選用PCC B&R 2005 組成分層遞階式網(wǎng)絡(luò )控制系統, 其傳動(dòng)控制系統結構如圖1所示。

    PCC B&R 2005 采用模塊化結構系統, 這種結構的特點(diǎn)是: CPU 為獨立模塊, 輸入、輸出、電源等也是獨立模塊。要組成1 個(gè)系統, 只須將所需的模塊插入基板即可。它能通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS、CAN 組成控制網(wǎng)絡(luò ), 也可以通過(guò)以太網(wǎng)ETHERNET 協(xié)議組成以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò ), 組網(wǎng)非常方便。B&R 2005 帶有操作系統, 更多的控制任務(wù)可以通過(guò)分時(shí)多任務(wù)處理, 增強了系統的實(shí)時(shí)性；其編程可以采用高級語(yǔ)言, 如C、Automation Studio Basic 等, 能實(shí)現復雜算法的編程
。
     紙機傳動(dòng)控制系統的組織級由上位工業(yè)控制計算機（IPC） 來(lái)實(shí)現, 完成整個(gè)傳動(dòng)控制的數據處理以及控制決策, 它與B&R 2005 通過(guò)ETHERNET 以太網(wǎng)接口相連。分層遞階式控制系統的協(xié)調級由B&R 2005來(lái)實(shí)現, 它與另外的負責輔助傳動(dòng)控制的B&R 2005通過(guò)PROFIBUS 相連, B&R 2005 的NW150 模塊提供標準的PROFIBUS 接口。變頻器、電機以及各種傳感器執行分層遞階式控制系統的控制級任務(wù)。變頻器通過(guò)CAN 總線(xiàn)掛接在控制網(wǎng)絡(luò )中。B&R 2005 的IF671協(xié)處理器提供1個(gè) RS232 接口、1 個(gè)RS485/ 422 接口和1 個(gè)CAN 接口。利用CAN 接口, 變頻器通過(guò)CAN總線(xiàn)掛接在控制網(wǎng)絡(luò )中。

2、速度鏈控制
    根據造紙工藝要求, 紙機車(chē)速（v） 和抄紙定量（q） 之間存在下列關(guān)系：Δq/ q =Δv/ v （其中Δq 是定量容許公差范圍, Δv 是紙機車(chē)速容許公差范圍） 。為了保證紙的定量能夠在許可公差范圍之內, 要求紙機車(chē)速穩定, 速度只能在一定的許可范圍內波動(dòng), 通常生產(chǎn)時(shí), 紙機車(chē)速偏差Δv 不超過(guò)±（ 1.5 %～1 %） , 紙板機車(chē)速不超過(guò)±（1.5 %～21 %） 。因此, 穩定的紙機車(chē)速能保證紙的定量穩定, 并避免斷紙及其他一些問(wèn)題。紙機各個(gè)分部的線(xiàn)速度隨著(zhù)紙的品種、抄紙速度、紙張水分含量等因素改變, 但在某一品種某一速度區, 各個(gè)分部間速度的比例基本不變, 紙機前后各分部間速度是一種比例協(xié)調關(guān)系, 如圖2 所示, 前一分部速度是后一分部速度的Ki 倍。紙機傳動(dòng)還要保證能夠準確地調整各個(gè)分部的速度。

    紙機的速度鏈控制是整個(gè)傳動(dòng)控制的基本回路。舊式紙機用1 臺定速式變速的交流電動(dòng)機通過(guò)皮帶輪、減速裝置、齒輪等帶動(dòng)紙機各個(gè)分部。這就是通常所說(shuō)的總軸傳動(dòng)方式, 現代化的紙機傳動(dòng)多采用分部傳動(dòng)方式, 即各個(gè)不同的分部都采用1 臺以上的電機傳動(dòng)。針對17 個(gè)主傳動(dòng)點(diǎn), 每臺電機配備1 臺變頻器, 采用德國LENZE 公司的Lenze93 系列高性能變頻器, 通過(guò)CAN 接口卡掛接在控制系統中。而且每臺電機都帶有每轉產(chǎn)生1024 個(gè)脈沖的增量式光電編碼器, 以完成速度反饋控制。
    B&R 2005 通過(guò)檢測各輸入點(diǎn)的狀態(tài), 判斷升速、降速、緊紙、松紙及是否微調, 并實(shí)現運行、爬行,以及單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)等控制。速度設定值由上位工控機設定, 通過(guò)B&R 2005 提供的過(guò)程可視化接口（ PVI-Process Visualize Interface） 進(jìn)入B&R 2005 ; 現場(chǎng)的增速、減速等信號由數字輸入模塊DI350 進(jìn)入B&R 2005 , 通過(guò)B&R 2005 的內部計算補償輸出, 由CAN 總線(xiàn)進(jìn)入變頻器, 以達到調整變比的目的。

    在分部傳動(dòng)中, 當前一分部的速度變化時(shí), 不能影響其前面分部的速度, 只對后面分部的速度有影響。主傳動(dòng)的17 個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)都是通過(guò)CAN 總線(xiàn)和B&R2005 相連, 它們組成17 個(gè)CAN 從站點(diǎn), 編號從2 號一直到18 號, 其中1 號站點(diǎn)已經(jīng)被作為CAN 主站的B&R 2005 所占用。在實(shí)現速度鏈時(shí), 排好號的站點(diǎn)的速度變化只影響后面站點(diǎn)的速度, 這樣通過(guò)CAN總線(xiàn)反映到各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn), 實(shí)現起來(lái)方便易行。由于使用了CAN 總線(xiàn), 數據在系統中高速傳輸, 當速度給定值變化時(shí), 實(shí)際速度響應快速跟蹤, 保證了控制的實(shí)時(shí)性。

    由于卷紙部隨著(zhù)紙卷半徑的逐漸增大, 整個(gè)輥的轉動(dòng)慣量也隨之變化, 此時(shí)若用普通的PID 調節器,已經(jīng)很難適應參數不斷變化的需要, 所以此處選用模糊自適應控制。

3、負荷分配
    紙機的同一分部若有多個(gè)電機時(shí)還得進(jìn)行負荷分配控制。例如紙機的網(wǎng)部真空伏輥、驅動(dòng)輥、第1 導網(wǎng)輥和光壓上、下輥等, 各傳動(dòng)點(diǎn)之間要求速度同步的同時(shí)還要求負載均衡, 否則會(huì )影響正常抄紙。當負荷不能均勻分布時(shí), 有可能撕壞毛布或造成斷紙; 另外, 負荷分配不平衡可能會(huì )造成某一個(gè)或多個(gè)電機過(guò)負荷運轉, 有時(shí)速度過(guò)快的電機會(huì )拖動(dòng)速度較慢的電機, 增加了電機負荷, 影響電機壽命, 甚至會(huì )燒毀電機[4] 。所以有必要在各個(gè)分部中的各自傳動(dòng)點(diǎn)之間實(shí)施負荷自動(dòng)分配控制功能。

傳動(dòng)控制要求各傳動(dòng)點(diǎn)電機負載率δ相同, 即

    其中Pi 為第i 臺電機所承擔的負載功率, P ie為第i 臺電機的額定功率。但是在實(shí)際控制系統中, 由于電機功率是間接量, 難以測量, 所以多以電機定子電流代替電機功率。其算式如下:

    其中Ili為第i 臺電機的負載電流, Iei為第i 臺電機的額定電流, Il 為負載總電流。

    B&R 2005 通過(guò)CAN 總線(xiàn)從變頻器中讀取各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)電機的電流值, 其后進(jìn)行計算處理, 經(jīng)由CAN總線(xiàn)將控制變化量累加到原先的控制量上, 輸出給各個(gè)變頻器。另外, 各電機的電流通過(guò)B&R 2005 上傳給上位工控機, 通過(guò)對電流的監視, 判斷系統的運行狀況。由于公式（2） 是簡(jiǎn)單線(xiàn)性化的結果, 若用在高速紙機中, 需要進(jìn)行補償運算處理。

4、張力控制
    壓光機、卷紙機和復卷機需要進(jìn)行張力控制。張力控制的需求是由造紙工藝決定的。張力過(guò)緊會(huì )造成更多的斷頭和卷紙的錐形擠出; 張力過(guò)松會(huì )導致紙張塌陷, 影響紙的質(zhì)量和紙機的生產(chǎn)速度[5] 。張力傳感器將張力信號檢測出來(lái)送到B&R 2005 的模擬量輸入模塊AI775 , 構成張力閉環(huán)控制以保持紙張的張力恒定。AI775 能接收0/ 4～20mA 的信號, 分辨率是12位, 其接收的信號