PDM技术在高速纸机电气传动控制系统中的设计

摘 要：针对高速纸机电气传动系统传动点多、相互之间工作状态联系紧密，整个生产线控制设备、仪表设备及网络状态要求稳定、可靠、耐用，否则若其中某个传动点、模块通道、仪表及网络发生故障，就会对整个抄纸流程连续性和现场设备以及人身安全造成威胁等特点，利用SIMATIC PDM技术对高速纸机电气传动控制系统进行自动化配置，起到提高整个抄纸过程工作效率、控制精度、节省生产线成本、预防和避免设备故障及危险和做到实时追踪系统工作状态的效果。

关键词：PDM；造纸机；电气传动；诊断

引言

目前，造纸机（Paper Machine）不断向着连续化、大型化、集成化、自动化、高速度、高负荷以及设备结构复杂方向发展，特别是高速造纸机，对电气传动系统稳定性要求越来越高。如何进一步确保纸机电气传动控制系统安全正常运行、做到系统预知性可视化维护、运行经济且可操作，并具有良好的快速性、智能性，已成为提高纸机传动控制系统效益、车速、稳定性和实用性的关键。SIMATIC PDM（Process Device Manager，过程设备管理器）是西门子公司开发的系统监控软件，其可对现场智能设备（传感器和执行器）和现场组件（远程 I/O、多路复用器、控制室单元和紧凑型控制器）在线进行组态、参数分配、调试、诊断及维护。因此，本文鉴于生产实际对高速纸机电气传动控制系统可靠性、可视化监控的需求，利用SIMATIC PDM技术构建耐用、稳定及更小故障和停机的高速纸机电气传动系统，系统可以做到合理布局及减少构件，全时段保护系统数据、优化和监控控制系统的相关设备。

1 系统结构及工作原理

SIMATIC PDM提供了所有组态网络中全部组态设备的总揽；过程设备网络视图则可以映射工厂拓扑并给相关设备对象分配参数，甚至监控PDM对象的网络链接，使得如果某个对象已被其他用户打开，它还可以做到显示一条消息及指出打开对象的相应用户和PC[6]。如图1所示为本设计的纸机电气传动控制系统结构。

当系统启动运行后，相应的传感器采集有关的生产工艺等实时数据，并将数据送入PLC进行控制运算，得到的结果作为控制信号再送给变频器等设备，从而实现电机调速和控制相应阀门。在系统启动运行的同时，操作员站也会将自动化站的有关数据采集上来作相关的数据显示、设定、和记录来自过程数据库的历史数据等，这时操作员站当然也可将有关变量的设定值进行修改，修改结果送入PLC，达到实时控制设备的目的。并且操作员站中的PDM可对整个电气传动系统的控制器、通讯网络及装置、远程I/O从站、现场仪表及执行器等进行在线实时调校和监视其工作状态及对仪表的状态进行评估，使得在仪表、阀门等彻底失效之前系统可以进行维护，从而减少系统因此造成的停机时间，这将大大提高整个纸幅电气传动控制系统的精度、可控性、稳定性和可操作性。

2 系统方案设计

以一台10米抄幅1200m/min车速的新型高速纸机为例，其传动控制系统的相关传动控制点有1000多个，传动线路复杂，控制回路多、负载多变、电机传动也具有强耦合性。再加上由于纸机高速宽幅运行，传递纸页薄而宽，特别是湿纸页强度低，这就要求纸机各分部间传动点动态平衡匹配性高、实时调整精度高。本设计利用SIMATIC PDM技术对高速纸机电气传动控制系统进行自动化配置，起到提高整个抄纸过程工作效率、控制精度、节省生产线成本、预防和避免设备故障及危险，甚至实时追踪系统工作状态的效果，从而避免纸机抄纸过程各部分间发生以下情况：①部件故障引起生产线生产率下降；②设备硬件老化导致硬件指标下降而造成纸幅断头现象，并同时需要重新引纸和调节相关参数，造成设备起机成本增加和系统数据重构；③生产设备故障或烧毁的潜在性，增大了投资危险；④无法保证设备24小时无人维护运行。进而可以在控制室里利用SIMATIC PDM对现场设备（压力传感器、速度编码器、温度传感器、定量及水分测量仪等）进行调校，同时反映现场仪表、控制器、电机、通讯网络等设备的工作状态，并对其调试、维护、诊断和显示工作，使得在仪表、控制器、通讯网络等彻底失效之前就进行系统维护，减少了因此造成的停机时间，从而在控制室就可以实时维护系统运行的连续性、可靠性和稳定性。并采用PCS7平台的CFC编程语言做控制运算来对纸机传动控制系统程序设计，使得各分部速度链控制，负荷分配控制，张力控制进行集成，其中上位机在线实时检测抄纸全过程工艺参数并归档分析，而且整个系统利用高效的现场总线冗余通讯技术来保障电气传动控制系统的通讯安全和质量，从而整个方案设计在保证高可靠性的系统配置下，利用PDM组件进一步对整个抄纸过程做运行网络、现场仪表的在线监测，使工程师可以根据生产任务在控制室内就能进行硬件（仪表、电机等设备）参数调整、故障检测和分析，无需到现场来调整仪表参数和拆卸仪表进行检修。

3 方案实现

在装有PDM软件的工程师站中导入纸机传动控制系统相关设备的EDDL（Electronic Device Description Language）文件，利用CFC编程语言实现抄纸运行各分部间电气传动控制的功能块自定义，采用SFC编程实现顺序、内部连锁等控制逻辑及相关参数的可视化。并进行控制的安全连锁设置和分配不同程序逻辑的优先级，及保证安全联锁一直有效。其中，主程序通过PLC端口程序扫描各传动点加、减、紧状态，看是否需要进行负荷分配控制，再对张力控制信号进行分析，确定是否需要张力控制。在张力控制CFC子程序中[3]，张力实际值和张力设定值都换算为百分比的形式，根据不同纸种控制经验值，设定其超调范围，以减弱张力调节的动态震荡。考虑由于系统中既有施胶、又有压光机与卷纸机的张力控制，设计利用CFC程序组成干部张力链来对整个干部的张力进行协调控制。即设计可以在系统车速变化时随时读出这些经验值做动态张力调节，减少了由于各张力点独立调节时所引起的滞后，最大限度地减少了由于张力控制不协调而导致的断纸。再此程序设计中还设有速度控制和负荷分配控制的切换，纸页引入之前为速度控制，纸页引入之后，转为“速度控制+张力控制”。当然为了更好的适应工况变化，设计中负荷分配和速度链控制、速度链和张力控制既独立又相互关联，程序在张力传感器前加有断纸检测，出现断纸，自动退出张力控制模式， 转为速度控制模式，待纸页重新引上后，断纸信号消失，自动转换为张力控制模式，因带有速度限幅，可以来防止断纸时出现飞车现象，PDM又对各传感器、控制器、电机、通讯设备等装置运行信号进行分析并及时报警来有效预防相关装置故障对生产的影响，这将大大提高本设计系统的自动化水平和稳定性。如图2所示为该设计的软件工作流程图。

4 实际应用

依据现场情况，如图3、4、5、6所示。在工程师站观测到的项目中的某装置在PDM软件上的监测情况为例，PDM界面同时显示了该对象的空间、距离、体积、电流值、设备状态，同时还提供选择输出电流所对应的物理量，特别反映了设备回波的各项参数，如短发射的置信度、长发射的置信度、盲区、发射类型、实际的回波图和TVT曲线，这样工程师根据回波情况分析产生失波和虚假回波的原因便可做到设备故障的监测和处理。再加上由于PDM可以对仪表的损耗情况进行监督，包括设备运行时间、上电次数、仪表运行过程中出现的最高温度及通讯状态和设备状态等。如是对整个纸机传动系统的其他设备（电机、阀门、变频器等）做该类似的参数设置与监测，这势必对我们进行造纸设备管理及升级，资产评估，安全监督，投资危险防范等都有重要意义。

5 结束语

通过利用SIMATIC PDM技术对高速纸机电气传动控制系统进行自动化配置设计，实现了在控制室就能实时监控现场设备和抄纸全过程的设备参数数据，无需多次拆装设备就能进行诊断，这对造纸业安全生产、减少维修人员工作量、合理投资及预防现场风险都有重要意义，甚至起到提高系统工作的效率、控制精度、节省生产线成本、实时追踪工作状态的效果，该设计必将充分保障我国造纸业生产的安全性、高效性及提升我国造纸机的自动化水平。

参考文献

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