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造纸机水针精准移动控制策略分析

- ORCID：
苏贵宁 ¹
- ORCID：
雷海龙 ²
- ORCID：
李超 ^3,4
✉
- ORCID：
张宝岩 ⁵
✉
- ORCID：
王海洋 ⁵
- ORCID：
毕既华 ¹
- ORCID：
孙馥明 ^4,6
- ORCID：
王志文 ¹

1. 黑龙江林业职业技术学院机电工程学院，黑龙江牡丹江，157000； 2. 牡丹江恒丰纸业股份有限公司自动化分厂，黑龙江牡丹江，157013； 3. 哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨，150001； 4. 黑龙江家简互联网科技有限公司，黑龙江牡丹江，157000； 5. 佳木斯大学机械工程学院，黑龙江佳木斯，154007； 6. 牡丹江恒丰纸业股份有限公司机修分厂，黑龙江牡丹江，157013

中图分类号： TS736⁺.3

最近更新：2021-12-22

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2021.12.011

摘要

本课题设计了一套水针移动控制系统以解决造纸机网部用于纸机引纸和全幅定位的水针精准移动问题。基于变速双控制死区方法，控制水针移动和定位；通过控制水针移动的速度切换，配合设置双控制死区；采用水针降速的方式降低由水针移动引起的惯性误差，以达到精准控制水针定位的目的。结果表明，采用变速双控制死区方法，水针位移曲线变化平缓，最终停止时与水针设定位置的误差为0.8%，定位更加精确；且与变速单死区系统相比，水针移动反应时间缩短，为纸机水针精准位移控制提供有价值的参考。

关键词

纸机水针; 移动定位; 控制系统; 双死区控制

水针系统是纸机上的关键部分^[

1-3]，当纸机发生断纸并重新引纸时，通过控制网部的水针横向移动从而控制纸幅的宽度^{[参考文献 4

百度学术}4]，水针由全纸幅位置移动到引纸位置，使纸幅幅宽减小，便于现场人员将纸幅从伏辊引上卷取辊^{[参考文献 5-6}5-6]，待现场人员引纸完成后，移动水针由引纸位置移动到全纸幅位置，纸机开始正常生产。水针的精准移动在这个过程中起到关键作用，要求水针移动迅速、定位精准，但由于水针在实际移动过程中存在惯性，水针定位存在较大偏差，水针反复调整位置，稳定时间较长等问题，导致损纸量增多，生产效率低。

目前，大多数纸机水针移动控制方式为：以PLC为控制核心，通过上位机设定的水针位置和编码器检测的水针实际位置相比较，通过变频器控制速度切换，进而驱动电机控制水针位置^[

7-8]。倪锋等人^{[参考文献 9

百度学术}9]设计了一种造纸机水针移动的控制系统，用PLC控制器和位置测量编码器控制水针移动速度，通过控制水针的速度切换，以减小水针的定位误差，此水针移动控制系统比较简单，虽然得到了较好的控制，但控制精度不高。

本课题设计了一套水针移动控制系统，设置变速双控制死区，分别为粗略控制的高死区和精确控制的低死区。控制死区是一个位移设定值，指水针实际位置与设定位置的差值。通过实际位置与设定位置的差值和控制死区设定值作比较，水针从引纸位向全幅位移动时，若差值≤控制死区设定值，则上位机继续输出控制命令，使水针继续移动；反之，则上位机停止输出控制命令。水针从全幅位向引纸位移动时，若差值≥控制死区设定值，则上位机继续输出控制命令，使水针继续移动；反之，上位机停止输出控制命令。针对水针精准移动问题，通过控制水针移动的高速和低速切换，配合设置双控制死区，采用水针降速的方式来降低由水针运动引起的惯性误差，以达到精准控制水针定位的目的。本系统可更精准控制水针移动位置，缩短水针移动反应时间，减少纸机引纸时的损纸量，提高纸机的生产效率。

1 水针系统组成

造纸机网部水针系统实物图和水针结构示意图分别如图1和图2所示。水针系统由水针水泵、水针、行架、带编码器的移动电机和限位开关等设备组成。水针水泵为水针提供高压水，水针可在行架上移动来得到不同幅宽的纸幅；FS侧限位为操作侧限位，指水针在操作侧能够到达的极限位置；DS侧限位为传动侧限位，指水针在传动侧能够到达的极限位置。图2中，位置1、2、3为纸机不同的引纸位置，由编码器进行定位，水针处于不同位置的引纸位可获取不同宽度的引纸纸幅；位置4为纸机全幅位置，引纸完成后，水针移动到此位置。

图1 网部水针

Fig. 1 Trim squirt of wet section

图2 纸机水针结构示意图

Fig. 2 Schematic diagram of trim squirt structure of paper machine

水针控制系统硬件组成如图3所示。监控组态软件构成系统的上位机，上位机操作界面如图4所示。控制器选用中控ECS700控制系统，ECS700为大型集散控制系统，多用于造纸、石油、化工和制药等行业。其具备组态完整性管理、在线单点组态下载、组态操作权限管理、查询历史数据及操作记录等功能^[

10-11]。FCU712为ECS700的CPU模块；AI713、AO713、DI715、DO716分别为ECS700的模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模块、数字量输出模块；COM722为系统DP通信模块。

图3 水针控制系统硬件

Fig. 3 Hardware of trim squirt control system

图4 水针控制系统的操作界面

Fig. 4 Operation interface of trim squirt control system

2 控制逻辑设计

水针系统程序设计采用ECS700系统的逻辑功能块搭建，主要采取变速双控制死区的方法控制水针移动定位。当电机高速运行时，控制死区范围为±200，即高死区；当电机低速运行时，控制死区范围为 ±30，即低死区。控制程序逻辑如下。

（1）水针电机的启动与停止：水针电机起停程序逻辑，如图5所示。图5中，LE为小于等于比较模块，程序数值始终与水针实际位置和水针设定位置相减的差值做比较，若差值≤c引脚连接的控制高死区数值-200或低死区数值-30时，LE模块输出1，则启动水针电机向DS侧移动；GE为大于等于比较模块，若差值≥a引脚连接的控制高死区数值200或低死区数值30时，GE模块输出1，则启动水针电机并向FS侧移动；若移动范围超出FS侧限位和DS侧限位，则水针电机停止，水针停止移动。

图5 水针电机起停程序逻辑

Fig. 5 Starting and stopping program logic of trim squirt motor

（2）水针移动速度的选择：水针速度选择程序逻辑图如图6所示，当水针向FS侧移动时，水针实际位置与设定位置的差值≤1400时，则水针电机选择低速运行；反之，则水针电机选择高速运行。当水针向DS侧移动时，水针实际位置与设定位置差值＞-1400时，水针电机选择低速运行；反之，则水针电机选择高速运行。

图6 水针速度选择程序逻辑

Fig. 6 Program logic of trim squirt speed selection

（3）控制死区的选择：控制死区选择程序逻辑图如图7所示，水针开始高速移动时设定为高死区，当水针速度从高速变为低速的时刻开始计时，此后设置25 s延时，即25 s期间均为高死区，25 s结束后，控制程序从高死区自动变为低死区，具体过程见图7。

图7 控制死区选择程序逻辑

Fig. 7 Control dead zone selection program logic

3 控制结果与分析

在实际生产过程中，采用本课题设计的系统变速双控制死区方法控制水针移动定位，以断纸后水针从DS侧向FS侧移动为例，即生产断纸后，水针由全幅位置移动到引纸位置的移动过程可参见图8，水针移动过程具体分析如下。

图8 水针移动示意图

Fig. 8 Schematic diagram of trim squirt movement

（1）生产断纸后，系统接收到断纸信号，水针设定位置自动变为S2，实际位置S，水针实际位置与设定位置差值＞200，水针电机启动，水针开始向FS侧移动；水针实际位置与设定位置差值＞1400，水针速度为高速运行，速度由变频器设定为50%，控制高死区为200。

（2）水针继续向FS侧移动，当水针实际位置与设定位置差值≤1400，水针速度变为低速运行，速度由变频器设定为6%。由图7控制死区选择程序逻辑可知，此刻开始计时延时25 s。

（3）25 s延时期间，控制死区依然是高死区200，水针继续向FS侧移动，当水针实际位置与设定位置差值＜控制高死区200，水针移动电机停止工作，水针由于惯性继续向FS侧移动。

（4）延时25 s过后，控制死区由高死区200转换为低死区30，水针实际位置与设定位置差值＞低控制死区30，水针移动电机启动通过低速移动进行位置调整。

（5）经过调整后，水针移动电机停止工作时，水针实际停在744 mm位置。

综上所述，水针由全幅位置向引纸位置移动过程中，水针起初移动时，为高速高死区；当水针移动到临界点时，即S-S2=1400，S=2150处，水针移动速度从高速转变为低速，同时开始25 s计时，25 s期间均为高死区；当水针移动到高死区范围内时，电机停止工作，由于水针移动惯性作用，水针仍会继续移动一段距离；25 s延时结束后，水针控制从高速高死区转变为低速低死区，控制程序用水针降速的方式来降低由水针运动引起的惯性误差。通过本课题的变速双死区方法与之前变速单死区方法比较，并绘制水针位移随时间变化曲线如图9所示。

图9 水针位移对比曲线

Fig. 9 Trim squirt displacement contrast curve

由图9可知，首先，在本课题的变速双死区控制方法下，从40 s后，水针位移曲线逐渐平缓接近设定值750 mm，在55 s时水针位移停在744 mm位置，且位置保持稳定不变，水针位移误差为0.8%，使水针移动更精准。其次，在以往变速单死区的控制方法下，时间经过40 s后，水针位移在接近设定位置750时，出现超调现象，水针位移曲线出现波动，波谷最大误差约为12%，随着时间的推移，位移波动曲线最终在80 s后趋于收敛，水针到达设定位置时反应时间较长。通过对比变速单死区系统可以发现，本课题采用变速双控制死区避免了水针位移的超调现象，缩短了水针反应时间。

4 结　论

本课题针对纸机网部用于引纸和全幅定位的水针精准移动问题，设计一套水针移动控制系统。基于变速双控制死区方法控制水针移动定位，通过控制水针移动高速和低速切换，配合设置双控制死区，采用水针降速的方式来降低由水针运动引起的惯性误差以达到精准控制水针定位的目的。在实际生产过程中，采用该方法控制的水针最终位置与水针设定位置的误差为0.8%，定位更加精准，相对变速单死区系统，稳定时间更短。从而减少了纸机引纸过程的损纸量，提高了生产效率。

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