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造纸过程中纸幅张力测量与控制
摘要：根据纸幅张力传感器的分析，在造纸机的驱动控制系统中应用张力控制。通过使用传感器张力测量和精细表征张力信号，与速度控制、网络张力控制组成闭环反馈控制，对提高控制系统和纸制品的质量、效率和可靠性有很显著的影响。
- 简介
在生产实践中，施胶，涂层和软压光机是用于提高纸张的平滑度、光泽度和密封性，同时对腹板的厚度进行校正。纸网在经过造纸机干燥部分后纸张含水量达到或接近纸张产品水分,干燥机、表面施胶、涂布机之间或干燥器部分最后一次干燥和压延机速度之间有一个微小的偏差,会对纸网张力有巨大的变化,容易出现破损的现象。为了解决这类问题的解决方案是在导辊之间的位置安装张力传感器，纸机传动控制采用计算机控制,以此使纸网保持恒定张力,避免了传动点之间的速度偏差过大而弄破纸。张力计的选择中,我们使用一个直接张力控制方式,使用ABB生产的性能优越的张力测量装置(压力传感器),对纸张的张力进行精确测定。以下应用程序为基础,描述了一个河南工厂的薄纸片机的张力控制系统。
- 张力传感器原理
根据工作原理，有三种测量仪器。一种是变形测量器；另一种为线性可变差动变压器；第三个是ABB品牌压力传感器。我们选择使用ABB的产品。
ABB采用压力传感技术（如图1c）,与通常的变形测量器（如图1a）和差动变压器式位移传感器(如图1b)应用的物质变形原理相比，采用完全不同的技术。变形测量器一般采用电阻电路，这一原理是电阻发生拉伸应变后产生阻值的变化，然后通过桥式电路和放大器电路被转变成电压的变化，所以变形测量器型张力仪对外界干扰信号的干扰更为敏感、更容易产生漂移、稳定性差、精度低。线性可变差动变压器是由一个自由活动的棒芯在线圈中移动，以改变磁场分布在空间，导致主要的变化；其次，线圈间的互感，当主线圈供给交流电压的某一频率，次级线圈产生感应电动势，在不同位置上的芯，次级线圈产生的感应电动势也不相同。所以铁芯位移转换成电压信号输出，铁芯的位移反映出了压力负荷。
张力计信号是由于机械负载压力使磁场属性的变化（如图1c)。在空载情况下，两个相互垂直的线圈，其中一个线圈有电流产生，另一个线圈就会有交流耦合；当加上负载后，由于挤压变形,两个线圈不是互相垂直,这之间存在电磁耦合。当一个线圈提供交流电,另一个线圈产生的流过负载的感应电流信号就会改变，这个信号通过测量仪器内部控制单元处理系统来输出。湿纸纸幅张力测量装置利用电磁感应的原理，可以避免物理变形过程产生的误差，提高了抗干扰能力和稳定性。
纸幅张力计算如图2，是纸幅测量方向压力值，是合力方向的测量值，是横截面方向的张力值，是截面上的力，是纸幅张力，导辊的重量，是方向角，是传感器的安装角度。
在纸幅没有张力负荷的情况下，张力计只有导辊的重力产生的压力。当纸幅经过导辊时，张力是在层压力间，导辊的压力和重量对张力计的压力挤压导致的变化磁场形成感应电流信号，电流测量仪器测量出的感应电流值设置为相对应的实际张力值。
- 直接张力控制的应用程序
造纸设备软压光机本身就是一个沉重的负担，所以感光部分的压力处于很高的水平，小的速度偏差就会导致纸幅破裂。压延机机械装置部分和张力检测器的安装位置如图3所示。在纸幅刀辊前的轧光机中，我们在进入其中的纸幅中安装了张力传感器。张力传感器为ABB公司的张力测量仪，其输出电流信号发送到张力控制系统中的PLC。张力控制的原理如下图4所示。纸机传动控制通常是采用交流变频控制或公共直流总线传输控制方式，不管那种模式，之间的传输点速度控制是必要的。当纸幅没有到达压延机时，只有驱动控制的速度链发挥主导作用，这时候不涉及张力传感器的测量和控制，当纸幅被引入压延机时，压延机的速度调节使纸幅张力接近设定值的90%。然后到张力控制，使用张力控制的优点就是能够避免压力过度波动导致纸幅破裂。张力传感器转换成4-20毫安的模拟信号，然后由西门子系列SM331或者SM431系列PLC扩展部分的模拟输入/输出模块，模拟信号转换为数字信号,发送到PLC内部的压延机张力控制子程序。程序可以设定初始值（对纸幅最大张力的百分比），如果实际张力值较大,PLC输出变量的调节速度小,直到适当；类似的，实际的张力值较小的可以调节相应的输出速度变大；其中使用了一个软件程序，在调谐范围内实现了恒张力控制的目标。
- 纸幅张力计的校准和补偿
如果张力控制应用于纸机传动控制系统，然后张力测量精度要求必须满足0.01%,或张力控制性能的负担，顺便说一句，纸张张力不均匀，就会导致纸张破裂。因此,必须通过软件或硬件安装为张力计进行零张力测量误差补偿，这样的话，张力的数值测量和信号输出都会得到线性优化。张力计选择一个合适的范围（通常使用两个表分别安装在导辊的两侧），由安装在在造纸机中张力测量装置中的PLC扩展模块采集数据发送给PLC进行分析，通过软件执行数据补偿。测量仪器现场校准方法如下：A、B两个传感器,用绳子悬挂重量的测量仪器在力的方向从0到100%(对应于0 ~ 5.00 v)负荷修正,如表1所示。
5.结论
纸机传动系统由于使用速度控制和张力控制的复合控制,同时通过软、硬件对张力测量装置的零点漂移进行补偿，和现场校正，动态控制精度可以达到0.01%。系统是一个河南造纸厂在2640/350薄片纸机上的电气传动控制系统应用程序。演示操作的网站很好,可以满足生产的需要，特别是薄页纸控制的需求。
可编程逻辑控制器的应用
摘要：随着自动化程度的大大增加，一个控制系统需要容易的编程，灵活，可靠，质量高，价格适当。本文就我们当前市场中的可编程逻辑控制器的应用进行了讨论。本文就在能源研究、工程研究、工业控制和监测植物方面对PLC的应用进行了调查。PLC确实有自己的局限性，但结果表明与PLC自身局限性相比更有许有点。本文得出的结论是PLC可以应用于任何系统，不管是复杂的还是简单的控制系统。
- 介绍
可编程逻辑控制器是基于计算机的,固态,单处理器设备，通过模拟电动梯形图，能够控制许多类型的工业设备和整个自动化系统。PLC通常是工业自动化系统的一个主要部分。他们非常有效和可靠的应用程序涉及到时序控制和同步的生产流程和辅助元素,化学和加工工业。使用PLC除了有技术优势，它也降低了高水平、复杂的控制系统的价格。如今,大多数用于执行逻辑系统的控制元素由PLC代替。所使用的逻辑编程术语主要是考虑到实现逻辑和切换操作。输入设备如交换机，输出设备如发动机，被连接到PLC，然后控制器根据机器或显示器来控制输入输出过程。最初PLC被设计为一个代替继电器和计时器的逻辑控制系统。PLC有两部分组成，即硬件和编程。PLC首次在二十世纪六十年代末的汽车工业中使用，其自动化设备主要是由离散的控制电路组成的机电继电器和线圈电路。通用汽车(General Motors)开发了可编程序控制器的规格,它可以取代硬连接继电器电路。最激进的想法,是一种编程语言的实现基于一个继电器原理图，输入由继电器触点,输出由继电器线圈。图1(a)展示了一个简单的液压缸可以通过按钮扩展或收回。它的冲程由限位开关控制起点和路程，螺线管只能在液压泵运行的时候操作。这个将由图1(b)的电脑程序控制，用相同的继电器电路来控制气缸。这些项目看起来像梯子上的横档,并因此被称为“阶梯图”。在1960年代中期,Hydramatic,通用汽车公司的一个部门，设想可以用一个电脑来执行逻辑功能然后由继电器来执行。工程团队写了一个关于计算设备特点的列表。通用汽车根据指定特定的设计标准开始计算设备的开发，包括：1.设备必须耐用，以便在工厂中遇到恶劣环境的情况下也能工作。2.它必须灵活性高，实现电路快速修改、软件轻松改写。3.它必须使用技术人员和电工熟悉的梯形图编程语言。4.它必须允许控制器输入输出部分能够现场接线。
通用汽车利用这个列表进行规范，征求感兴趣的公司开发一种设备,实现了设计要求。Dick Morley 在1968.1.1构思了第一个编程控制器。当Dick的公司-古德莫迪康公司开发出了第一个084 PLC。第一个PLC体积大并且贵。他们只能够通过开关控制，并且只能重复操作他们所需要的控制程序。
通过创新和改善微处理器技术和软件编程技术，PLC已经增加了更多的特性和功能。这种改进使PLC能够执行更复杂的运动和过程控制应用程序,有更快的运行速度。
目前有十多个制造商生产PLC，如表1。大多数的公司提供不同的型号,在大小、成本和复杂性上进行区别，来满足特定应用程序的需求。
- 个人电脑和PLC
可编程序逻辑控制器的原始设计被称为可编程控制器或者PC。缩写并没有造成混淆，直到个人电脑变得广泛也仍采用了PC这个缩写。为了避免混淆,可编程序控制器添加“逻辑”这个词，生产可编程序逻辑控制器PLC。现代PLC控制流程设计是一个基于计算机的设备。相关信息来自于传感器监测的状态过程，通过一些执行机构的状态能改变它。尽管PLC和个人电脑(PC)都是电脑,但还是有一些显著的差异。
让我们看看他们间的相似之处。PC和PLC系统的体系结构很相似,都有一个主板,处理器,内存和扩展槽。plc处理器的差异是一个微处理器芯片与内存和I / O(输入/输出)芯片通过平行的地址、数据去控制总线。一般来说，PLC没有可移动或者固定的存储媒体如软盘和硬盘驱动器。但他们确实有固态存储器来储存程序。PLC没有监控,但人机交互界面(HMI)通常用于显示过程或生产机状态。他们还为输入和输出字段都配备了终端设备以及通信端口。在另一面，电脑可以在家庭和办公室做许多工作，是复杂的计算机，有能力同时以任何顺序执行多个程序，但是PLC在制造机器和控制的过程中，只以有序和连续的方式执行一个任务，形成最后的指令。任何一台在工业环境中使用的电脑必须能够承受极端的温度和湿度，忽略电力线路中电压的高低变化，在常常含有腐蚀性气体，油，污垢，承受冲击和振动的环境中生存下去。
PLC控制系统就被设计成很容易安装和维护，通过屏幕上的故障指示器和信息传递，简化了故障诊断。现场设备连接的输入/输出模块很容易连接和更换。
PLC被设计成用梯形图编程而不是常见的计算机语言，用内置内存来存放程序语句。
- PLC的硬件
现代版的可编程控制器使用梯形图逻辑系统。所有的PLC系统都由相同的基本模块组成,检测输入数据,处理和控制各种输出，基本的模块是：
机架总成
电源供应器
程序设计装置
输入/输出模块
中央处理单元
3.1机架总成
大多数可编程控制器使用各种模块来提供大量输入和输出终端。这些模块包括电源,处理器单元和输入/输出模块。艾伦-布拉德利控制器在PLC机架和底盘之间做了隔离。硬件组装，输入/输出(I / O)模块、处理器模块和电源被称为底盘。模块安装在架子上，PLC的机架有多方面的作用。它还在齿条总成或者机架后边提供了模块之间的电气连接用印刷电路板。
模块很容易插入通道放到架子上，它们安装在主板上与其他电路进行电接触。架子上的插入模块允许维修人员迅速取代有故障的单位。
3.2电源供应器
电源供应直流电给其他模块，可以插入架子上如图6所示。与大系统、电力领域设备是由外部提供的交流电(AC)或直流供应。对于一些小型微型PLC系统,电源可用于电力设备领域。
3.3编程设备/设备/终端
编程终端或加载终端用于编程的处理器，使用的终端类型取决于制造商和客户的偏好。有些小型手持设备使用液晶显示器或发光二极管显示程序；这些小单元将显示一行所需的一次程序和其他程序输入的语言称为布尔。（图7）另一种类型的编程终端包含一个显示和键盘,图8所示。这种类型的终端通常每次显示的几行程序,可以用来观察电路的运行操作。
许多行业更喜欢使用笔记本电脑或笔记本电脑编程,图9所示。一个接口,允许计算机被连接到PLC和软件程序的输入是PLC的生产商通常可用的形式。
3.4输入/输出模块
PLC的I / O部分是所有字段的部分设备连接,并提供了它们和PLC间的接口。输入/输出的安排是建立在一个固定PLC，而模块化类型使用外部I / O模块,可以插入到PLC。
用于PLC的I/O接口采取两种形式：固定的和模块化的。固定类型与小型或微型PLC系统,所有的功能都集成到一个单一的单位。I / O端口的数量是固定在每个模型并不能改变。模块化的I/O端口使用一个机架来放置，所以它的数量和类型可以多样化。
输入接口模块接受机器或过程设备的信号并将其转换成控制器可以使用的信号。输出接口模块将控制器信号转变为外部信号，来用于控制机器或者生产过程。I/O系统提供了一个接口来连接硬件部件和CPU。输入接口允许的状态信息被发送到CPU的进程，因此允许处理器通过其控制下的输出接口与过程设备通信操作信号。
3.4.1输入模块
内部计算机通常工作在5V直流外部设备（电磁阀、电动机起动器、限位开关等），在交流电压为110V下操作。这2个电压的混合会对可编程控制器的电子器件造成无法弥补的损害。可编程逻辑控制器的中央处理单元对电压尖峰和电噪声十分敏感。因此，I/O采用光耦隔离电气隔离的输入信号形式的CPU。
3.4.2输出模块
输出模块是用来连接中央处理单元的负载。输出模块提供的处理器和外部电路之间的线隔离。隔离一般用两种方式中的一种方式提供。最受欢迎的与应用输入模块的光学隔离非常相似。在这种情况下，中央处理器控制一个发光二极管。所用的是一种固态装置，将负载连接到线路上。如果负载是在直流电源下运行，用光电晶体管来连接负载线。如果负载是交流设备，用可控硅来连接负载线。没有电压尖峰或电气噪声可以发送到中央处理
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