PCC的造纸机电气传动控制系统设计 精品

1 引言
1.1 课题设计的背景及意义
从古文明开始，还没有纸的出现，直到东汉才出现了纸，这是蔡伦制成的。

纸在初现期间，并没有得到广泛应用，直到魏晋南北朝时期，才广泛流传。

直到现在，纸在我们的生活中随处可见。

随着我国工业的发展，人们生活水平的提高，纸在我们的生活中应用越来越广泛，已经成为不可替代的生活用品，比如书籍、报纸、作业纸、包装纸、卫生纸等等，在我们的生活中随处可见。

除了生活用纸外，纸在其他领域也有广泛的应用，如工业用纸、农业用纸和医疗用纸等。

从这些方面可知，纸在我们的日常生活中的影响越来越大，人们的生活早已离不开纸。

人们对纸的需求量日益增长，对纸的种类需求也越来越多，从作业纸到书籍用纸，从包装纸到卫生纸，再到餐巾纸等，纸的种类真的是多种多样，这就导致对纸的生产工艺和生产质量有了更高的要求。

造纸术是我国的四大发明之一，对世界的文明有着深远的历史意义，从以前的手工制纸发展到现在的机制纸，可见我国的造纸技术有了很大的进步和发展。

但这还远远不够，人们对纸的需求量的多样化，需要不断提高造纸工业的自动化水平，加快造纸行业的发展，才能满足人们对纸的需求。

提高造纸业的自动化水平，对我国的造纸业有深远的指导意义。

1.2 课题设计的研究现状
纸的制造是一个非常复杂的过程，近年来，大型化、自动化和智能化是世界各国工业的发展趋势。

为了提高纸张的质量、降低生产成本、节约自然资源、减少废气排放以及提高纸的产量，造纸业的自动化水平在不断地提高。

造纸业早期的控制方式比较简单，使用的是应用常规仪器调节仪表的简单控制，目前大多数都使用PLC来控制，大大的提高了造纸业的自动化水平。

PLC具有可靠性高、抗干扰能力强，编程比较简单、容易掌握，功能比较完善、使用灵活方便，体积小、质量轻、功耗低等优点。

基于PLC控制的造纸机不仅大大的提高了自动化水平，还节约成本。

而PCC代表的是目前自动化领域最先进的自动化控制技术，不仅综合了PLC和工业可编程控制器（PC）两者的技术优势，而且还有PLC和PC所没有的优势。

综合以上，在现今造纸技术的基础上，运用贝加莱PCC，可以提高系统的稳定性以及可靠性，还能克服恶劣的环境等。

目前，贝加莱PCC已广泛应用于各个工业领域，如
机械自动化和过程自动化，应用前景非常广阔。

1.3 本文的主要工作
本设计的主要内容是通过用主控制器PCC来实现造纸机的电气传动控制。

通过对造纸机传动方式的分析，选择系统的硬件及相关模块，设计出系统的主电路以及控制电路。

本文主要内容如下：
（1）研究造纸机电气传动控制原理，设计电气传动控制电路。

（2）通过对主控制器的分析与了解选择硬件及相关模块
（3）分析控制流程，编写相应程序流程图，实现基本的电气传动控制功能。

（4）对全文进行总结，并做进一步的探讨。

2 系统分析
2.1 造纸机工作流程及传动方式分析
造纸机是一种非常复杂的机器，首先是把原材料进行打浆和调制，加工成符合抄纸要求的初始原料，其次是把加工好的初始原料通过其它的机械部分进行加工和制作，最后才能抄制成纸页。

2.1.1 造纸工艺流程
现代的造纸工艺流程一般可分为原材料制成浆、浆纸的调制、对纸进行抄造、对纸进行加工等主要步骤。

一般的造纸工艺流程如图2.1所示。

网部真空部压榨前干燥后干燥压光部卷取部
图2.1 造纸流程
（1）原材料制浆。

造纸的第一步是把原材料制造成浆，而使用的原材料一般是木材，把原材料制造成浆的方法一般有三种，分别为化学法、机械法和半化学法。

（2）调制
造纸的第二步是调制，调制为造纸流程中的一个关键环节，纸张制造成功后的优劣与调制过程直接相关。

纸的调制过程一般可分为散浆、打浆、加胶和充填这几个步骤。

（3）纸的抄造
纸的抄造就是把纸浆制造成纸张的过程，这是造纸的第三步。

把稀纸料经过加工和脱水等一系列工作，制成成品纸，这是抄造部门的主要工作。

纸的抄造的一般常见流程如下：1）纸料的筛选。

这一过程主要是把调制好的纸料进行稀释，将其稀释到一定低的浓度，然后再用筛选设备进行筛选，将里面的杂物和还没有解离的纤维束筛选出来，除掉，才能保持制纸质量，保护相关设备不被损坏。

2）网部。

网部的主要作用是对流到网上的纸浆进行加工和处理，若纸浆从头箱流到循环的网上时，就对网上的纸料进行均匀的分布以及交织等处理工作。

3）压榨部。

压榨部的主要作用是将湿纸进行脱水处理，主要过程是把从网面移过来的湿纸引导两个滚辘间，这两个滚辘上都附有毛布，滚辘可对湿纸进行压挤，毛布对湿纸
有吸水作用，当这两种物体都对湿纸作用时，不仅能脱水，而且还能改变纸质使其更紧密，提高纸的质量。

4）干燥部。

干燥部的主要作用是将压榨过的湿纸进行进一步的干燥。

湿纸进行压榨后，其中的含水量仍然较高，这时候不能用机械力将多余水分进行压除，只能用热蒸汽对纸进行干燥处理，因此可将湿纸经过圆筒表面进行干燥，圆筒内有流通的热蒸汽。

5）压光部。

压光部的主要作用是对干燥后的纸进行压光，以提高纸的品质，并使纸页全幅保持一样的厚度，减少纸页的透气度。

6）卷纸。

主要由卷纸机将压光过后的纸幅卷起，将其卷成生产所需的纸卷。

7）裁切、选别、包装。

将已经卷好的纸卷进行裁切，再进行筛选，把有污点和破损的纸张选出来，最后进行生产所需的包装。

2.1.2 造纸机传动方式分析
一般来说，传统的造纸机采用的是机械总轴这种传动方式，这种传动方式的各个传动轴通过机械装置连接在共同的主传动轴上，传动轴就能跟随主传动轴同步运行，如图2.2所示。

网部压榨部干燥部压光部卷纸部
主电动机锥轮
主传动轴
图2.2 机械总轴传动
机械总轴传动方式采用单原动机传动，大多数用于中、低速的中、小型纸机上。

这种传动方式上的各分部间速比的调节比较简单，单纯的靠机械的方法来调节，可以借助锥形皮带轮或者无级变速的三角皮带轮来实现，也可借助差动机构来实现。

在传动过程中，可以用两种方式中的一种来控制各个分部的启停，第一种方式是借助摩擦离合器来控制各个分部的启动和停止，第二种方式是借助电磁离合器来控制各个分部的启动和停止。

这种传动方式比较落后，难以进行响应较快的各种控制，如张力控制，已经远远不能满足生产
需求。

现在大多数中大型造纸机采用的传动方式是分部传动，这种传动方式的各个个分部各采用一台电机进行控制，也可采用几台电机进行控制，驱动各分部的运行，如图2.3所示。

网部压榨部干燥部压光部卷纸部
减速箱
电动机电动机电动机电动机
图2.3 分部传动
在分部传动这种传动方式中，采用电气来进行调节，不仅能调节整个系统的车速，还能调节各个分部间的速比，用这个调节方法取代机械调节的方法，大大的简化了整个系统的装置。

由于采用这种传动方式的各个分部传动依靠的是电气来实现各轴的同步运行的，所以又叫电气分轴传动。

分部传动要比机械总轴传动简单的多，可以不用总轴、锥形皮带轮和皮带和离合器这些设备，大大的简化了传动过程所需的装置，运行也比机械总轴传动可靠的多。

综合以上的两种传动方式的分析和对比，本设计采用的是分部传动这种传动方式。

2.2 控制单元分析
PLC是使用最早的可编程控制器，到了近现代，随着个人计算机技术不断的发展，随之发展的还有自动化技术，网络通讯技术,于是一个新的控制器诞生了，那就是贝加莱公司生产的PCC。

2.2.1 PCC的特点
PCC是由奥地利的贝加莱公司推出的一种可编程控制器，这种控制器是一种新型的工业控制装置，集合了计算机、通信以及自动控制三种技术，代表了当今工业控制技术的发展趋势。

从20世纪中期至今，可编程控制器从最初的PLC，发展到PC，再发展到现在的PCC。

现在的PCC是一种新型的工业控制装置，不仅以微处理器为基础，还具有高度集成化的特点。

PCC具有可靠性高，编辑语言种类繁多，编程方式非常灵活，可根据使用者的习惯使用；功能函数非常丰富，控制功能较强，技术性能良好，扩展结构的使用很方便，优良的耐恶劣环境能力等一系列的优点，使之在工业控制中的应用越来越广泛，增长速度非常可观。

PCC的主要优点如下：
(1)PCC的可靠性较高，抗扰能力较强
工业现场的条件决定了PCC必需具有很高的可靠性和抗干扰能力。

在工业生产中，现场生产的过程大多是白天黑夜都在工作的，而且大多数工业的生产车间的工作环境比较恶劣，干扰现象比较严重，如电磁干扰。

为了保证控制器的正常运行，PCC必须具有很高的可靠性和抗干扰能力。

(2)PCC的编程较简单，容易掌握
梯形图是一种简单易懂的编程语言，比其他的编程语言更容易掌握。

因此广泛地被用户使用。

随着IT技术的发展，PCC也引入了更高级的语音，如BASIC语言和C语言，使编程更简便更灵活。

(3)设计、安装方便简单，调试时间少、维护方便
PCC安装方便简单，相关产品基本实现了系列化和标准化，能满足大多数用户的需求。

面板的显示功能更多，各种指示灯可以在PCC运行时显示运行状态，方便调试和操作人员的监控，及时处理发生的故障。

(4)丰富多样的模块品种、兼容能力强、功能强大
PCC具有丰富多样的特殊功能的模块，如温度模块、PID模块、数字量混合模块、模拟量混合模块、直流模块、交流模块等。

这就使控制系统更加灵活多变。

系统的通用性好，处理功能强大。

(5)体积较小，功耗非常低
PCC集成度更高了，所以体积小。

功率更低，一般都为几瓦。

2.2.2 采用PCC的可行性研究
首先，PCC的系统软件采用的是分时多任务的组成机构，这就使系统程序的运行周期只和系统的循环周期有关，不受程序长短的影响，大大的提高了运行的速度。

其次，一般的PLC具有高度灵活性，但是PCC比一般的PLC更加灵活。

由于PCC 是多任务的操作系统，这就为软件的开发提供了更大的便利，可以根据任务的需要编制出具有相应功能的模块。

通过各个模块的协调作用，共同构成一个具有多样性功能的系统。

再次，PCC的软件和编程系统功能更加强大更丰富。

PCC可以由编程者的习惯或者工程需要选择不同的编程语言。

最后，PCC在硬件方面比PLC更加强大。

PCC的存储单元比一般的PLC要打得多，而且在工业现场可以实现热插拔。

所以，利用贝加莱PCC代替一般的PLC控制器应用于工业自动化领域，已经成为世界工业自动化领域发展的总趋势。

2.3 方案的选择及确定
通过上述对比分析，本文最终确定以PCC的X20为主控制器，采用电气分部传动控制方式，设计造纸机电气传动控制系统，研究造纸机传动方式涉及的张力控制等问题，然后提出实现方法。

利用PCC提供的高级语言进行编程，在现有设备的基础上，做相关实验，并进行改进，提高系统的综合性能。

本文的系统结构框图如图2.4所示：
图2.4 系统结构框图
本文通过PCC控制变频器控制模块，进而控制电机控制模块，使其作用于造纸机各分部控制模块，从而带动各分部开始工作，电机控制模块还可作用于其他反馈模块，把信号通过变频器控制模块反馈给PCC。

在造纸机的各分部中，压光部是整个传动系统的重点，压光部工作的情况将影响纸的品质，所以本设计主要对该环节进行设计，最终采用两台电机控制压光部。

2.4 本章小结
本章主要对造纸机的工艺流程、传动方式进行了对比介绍，并对系统采用PCC作为
主控制器的可行性进行了分析。

最终确定采用PCC为主控制器，通过控制变频器，进而控制电机的电气分部传动的控制方式。

3 系统硬件电路设计
本设计主要针对造纸流程中的压光部（关键部分）进行研究，该环节采用两台电机就可对压光部进行系统的控制，所以本设计只采用两台电机对其进行控制。

本章将主要介绍系统的设计方案以及各模块元件的选型。

3.1 主控制器PCC及相关模块的选择
本设计主要以B&R的PCC为主控制器，通过改变变频器的频率控制电机的工作，对电机调速，进而控制造纸机的工作流程，其系统结构框图如3.1所示。

图3.1 系统结构框图
该环节包括多路模拟量的输入输出，以及要留有一定裕量的I/O点数，所以本设计选用了贝加莱的X20系列PCC作为其核心控制器件，其中的CPU选用的是X20CP1483-1，输入模块选用2个X20DI9371和1个X20DI4371，输出模块选用1个X20DO9322模块，模拟量输入选用1个X20AI4622模块。

3.2 变频器的选择
变频器作为交流电动机的调速装置，因其节能、高效、调速性能优异，已被广泛应用于造纸、冶金、机械、化工等各个领域，并成为电气传动的发展方向之一。

变频器的选择一般有四种方法，选择的基本原则是满足机械的负载要求。

第一，根据风机水泵类负载进行选择；第二，根据恒转矩负载进行选择；第三，根据被控对象基本的
静、动态性能要求进行选择；第四，根据被控对象具有较高的静态性能指标和动态性能指标进行选择。

像造纸这类加工生产线，造纸机的传动方式是恒转矩负载型的，这就要求电机也必须是恒转矩调速的，这也意味着变频器的工作状态也要满足其要求，即恒转速调速控制是变频器的工作状态。

而6SE70是一种恒转矩变频器，其优点如下：
（1）这是一种工业型变频器，能适应工业生产现场的恶劣环境。

（2）标准化及模块化。

（3）抗扰性较高，运行可靠。

（4）适应电源电压波动广。

（5）具有自诊断处理功能，维护方便。

（6）频率精度高，控制精度高。

综合以上分析，可知6SE70这款变频器能满足造纸机的工作要求，所以本设计采用的是这一型号的变频器。

3.3 电机的选择以及同步
3.3.1电机的选择
一般来说，选择电动机的基本要求是能满足生产机械的动态和静态性能要求，在这个基本要求上应该优先选择电动机结构比较简单的，维护比较方便的，运行比较可靠和比较经济的。

电动机的选择一般要考虑五个方面的内容：第一，考虑电动机的机械特性；第二，考虑电动机的调速性能；第三，考虑电动机的启动性能；第四，考虑电源种类；第五，考虑经济性。

在造纸机的电气传动控制系统中，一般都是以直流电动机进行调速的，直流电动机具有调速范围较广，过载能力强等特点，但其成本较高、维护困难，不适用于环境较恶劣的场合。

随着科学技术的发展，交流电动机比直流电动机的应用要广泛的多，且在交流电动机不能满足生产要求时才会选择直流电动机。

一般来说，交流电机要比直流电机方便的多，价格还便宜，维护工作量更小，随其交流电动机的起制动和调速性能比不上直流电动机，但是可以选择变频器通过伺服驱动器控制交流电动机，这就能使交流电动机的起制动和调速性能等能满足生产要求。

造纸机工作时的传动方式是恒转矩负载型的，这就要求电机也必须是恒转矩调速，而交流电机的机械特性和调速性能不能满足造纸机的生产要求，但是通过变频器控制的交流电机，其机械特性和调速性能都能满足造纸机的生产要求。

因为本设计采用的方式是通过
变频器对电机进行调速的，所以一般的交流电动机就能满足需求，本设计选用的电动机是异步电动机。

其所选电机型号及性能如表3.1所示。

表3.1所选电动机的性能及应用范围
3.3.2 电机的同步问题分析
在高速造纸机中，影响系统的各种性能的因素是电机的同步，而且所用电机的台数越多，其同步问题越复杂。

电机是否同步不仅能影响系统的控制精度，还能影响其可靠性。

多电机同步传动一般有四种控制方式：第一，主从级联控制；第二，虚拟主轴控制；第三，交叉耦合控制；第四，主令参考控制。

在第四种控制方式中，系统由同一个输入信号作用于各单元，每个轴的速度和其他轴的速度都有协调关系，且该关系是由系统的同步关系决定的。

这种控制方式的线路比较简单，且比较容易实现，跟随性能和同步性能都很好。

而第二种和第三种控制方式不能满足造纸机对电气传动系统的要求，第四种控制方式在工作时存在累计误差，所以本设计采用的是主令参考控制，如图3.2所示。

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图3.2 主令参考控制结构图
在造纸机的电气传动控制系统中，其传动点较多，容易发生扰动，扰动会影响传动的速度，进而引起振荡。

而本设计所选的控制方式中，就算发生扰动时，其同步性能也很好，影响较小。

3.4 电路设计
3.4.1 主电路设计
系统的主电路如图3.3所示。

L3
图3.3 主电路图
QF0是整个电路的总开关，QF1是控制异步电机M1的开关，QF2是M2的开关，QF3是控制变频器的开关，KM1、KM2是变频器控制变频运行时的接触器，KM3、KM4是工频运行的接触器。

整个系统的主控制器还是PCC，当QF0和QF3闭合后，KM0得电闭合，两个变频器开始工作；当变频器的频率达到工作的要求时，KM3、KM4得电闭合，电机M1、M2开始工作。

假如要改变变频器的电机的转速时，可闭合QF1和QF2，接着KM1、KM2得电闭合，就可通过改变变频器的频率来改变电机的转速。

当电路工作过程中发生电路过载、短路和失压时，断路器QF0、QF1、QF2、QF3能自动分断电路，保护电路不被损坏。

热继电器FR1、FR2具有过载保护的功能，当电机过载时，可保护电机不被烧毁。

接触器KM0、KM1、KM2、KM3、KM4具有欠压失压保护的功能。

3.4.3 控制电路
1、系统控制电路
系统控制电路如图3.4所示。

故障报警
信号
图3.4 系统控制电路
整个系统以PCC为核心控制器，系统的工作过程可通过控制柜SB来进行控制操作，通过接受变频器的启停信号，再根据控制要求，控制变频器的启停信号，进而控制整个分部的工作状态。

PCC通过接受变频器工作频率信号，根据系统工作所需频率，控制变频器改变工作频率，可控制电机的工作状态，进而控制分部的运行状态。

如张力传感器通过检测纸张的张力后，可直接反馈给PCC，PCC通过改变变频器频率控制电机的转速，进而改变纸张张力的大小。

系统具有电气相应的保护及警示装置。

具有断电、缺相、断相和相序保护功能，在主电源发生缺相，设备发生断相、反相时，保护器动作切断设备主电源；有报警、运行、电源、故障指示灯，对设备运转状态及异常情况报警。

设有警告系统，设备运行时，警示灯闪烁，提醒人们注意安全。

2、变频器控制电路
变频器控制电路如图3.5所示。

接受变频启停信号
接受电机转速信号
变频器实际运行频率Uf
(送到PCC的模拟量模块AIWZ)
U V W
变频器故障信号
I00）KA1
变频器频率降至最低信
（送到I01）KA2
变频器频率等于50HZ
（送到I02）KA3
图3.5 变频器控制电路
变频器主要是通过接受电机的转速信号，将信号传达给主控制器PCC，检查该信号是否符合正常工作的范围，然后PCC再将下一步的工作信号送到变频器，变频器通过改变频率控制电机的转速，进而控制压光部的工作过程。

3.5 造纸机电气传动控制系统设计
电气传动系统又称为电力拖动系统，该传动系统是以电动机作为原动机，进行工作的机械系统的统称。

本设计对造纸机进行电气传动控制系统设计的控制要点是压光部的张力控制。

3.5.1 张力控制设计
纸张的张力的表现主要为纸张的弹性。

在纸的抄造过程中，纸张牵引力的大小影响着纸张纵向张力和横向张力的大小，纸张的张力随着其牵引力的改变而改变，其改变的规律如图3.6及3.7所示。

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图3.6 纸张的牵引力与横向张力的关系
由图3.6和3.7可知，当纸张的横向张力和纵向张力维持在T0和T1中间之间时，造纸机对纸的抄造处于最优良的工作状态，当然对纸张的张力可以通过改变牵引力来控制。

若纸张的牵引力太大的话，会使纸张的纵向张力和横向张力超出最优良工作的最大值T1，引起断纸，从而影响纸的生产；若纸张的牵引力太小的话，会使纸张的纵向张力和横向张力达不到最优良工作的最小值T0，造成的结果是纸张会飘动，引起褶皱，也会影响纸的生产。

总的来说，在纸的生产过程中，通过改变牵引力来控制纸张的纵向张力和横向张力，使之处于最优良的范围，不仅能大大的提高纸张的生产效率，还能提高纸的质量。

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图3.7 纸张的牵引力与纵向张力的关系
纸张的张力是指拉伸纸张时，纸上两点之间所受到的拉伸力或弹性力。

假设纸张1和2两点间,自然状态的纸张长度为L 1，当通过改变牵引力控制张力拉伸纸张以后，纸,1、2两点间的长度为
L 2，∆L 为纸张拉伸前后的差值，纸张拉伸前的长度如下式所示：
(3-2)
根据纸张的张力定义有：
（3-3）
其中，K是和材料有关的系数。

当1、2两点同时处于运转状态时，不考虑其他因素的作用，则需要通过牵引力维持张力稳定，张力几乎没有变化，即保持纸张的拉伸力不变就行。

假设1点的线速度为V1,2点的线速度为V2，经过单位时间t后，纸张中经过1点的长度为∆L1=V1t，再通过改变牵引力控制其拉伸后，纸张中经过2点的长度为∆L2=V2t。

若∆L1=∆L2，则表示纸张没有被拉伸，即纸张上的张力F12=0。

若∆L2>∆L1，则表示纸张被拉伸了，其拉伸长度为∆L=∆L2-∆L1，它的相对拉伸率为∆L12/∆L1，两点间的张力为：
（3-4）由上式可知，在纸的制做过程中，纸张上1、2两点的张力与它们的速度大小无关，只与它们的速比有关，且它们的关系与张力是正比关系。

当1点的线速度和2点的线速度相等时，纸张的张力为0；当2点的线速度大于1点的线速度时，纸张的张力大于0，这时候就应该控制张力处于最优的工作范围内，以免产生断纸现象；当1点的线速度大于2点的线速度时，纸张的张力小于0，会发生纸张堆积或者褶皱，这时间久需要调节张力大小，避免产生这种现象，影响纸张的质量。

一般来说，张力控制可分为间接张力控制和直接张力控制。

前一种控制方式不需要其它测量装置进行张力的测量，如张力传感器，且其控制系统中不用相关的调节器进行调节，该控制方式较简单，但是精度较低，不能反馈调节，不适用于造纸机这类对张力控制要求较高的系统。

而直接张力这种控制方式，需要其它的测量装置进行测量，其控制系统还需要相关调节器进行调节，如张力调节器，该控制方式测量精度较高，能实现反馈调节，适用于造纸机。

本设计采用的是直接张力控制和速度控制相结合的控制方式，把张力传感器安装在压光部的前导辊上，对纸张的张力进行测量，然后再送到PCC主控制器调节张力，从而控制其大小。

当纸张还没到压光部的前导辊时，只有速度链控制在调节压光部，其它设备不对其作用，如张力传感器。

当纸张到压光部的前导辊之后，可调节压光部的速度，使纸张的张力达到设定值，再进行张力控制，直接张力控制的原理如图3.8所示。