辅助控制在纸机控制系统中的设计

赵东明 韩拥春

摘 要： 本文主要介绍了造纸机的辅助控制系统在纸机系统的控制内容和系统集成以及方案设计。在实际应用中，全面的纸机辅助设备的控制和监测，能够全面提高造纸机的自动化装备水平，提高了生产管理水平和生产效率，并减少减轻操作人员的劳动强度。

关键词： MCS网络；远程IO站；控制功能

随着造纸工业的飞速发展，国内纸厂DCS系统和纸机主传动控制系统得到广泛应用，但纸机的辅助控制系统也就是MCS系统，应用很少或者只是一些辅助电机的简单现场操作和信号联锁，缺乏综合而全面的辅助设备的状态监视和控制，这也是我国目前与国外先进纸机的自动化装备水平的主要差距。

1、纸机辅助控制的主要部分

通常，一条纸机生产线包括网部、压榨部、前烘干部、施胶后烘干部、卷纸机等几大部分，具体包括各传动点的稀油站、相应液压站的加压控制、网毯干网的张力检测、网压部的高压喷水管移动电机控制、网毯跑偏检测和联锁、导辊升降、引纸绳的张紧、自动引纸吹风、刮刀电机移动、刮刀的抬起和加压、气罩门的升降、引纸水针的控制、全辐断纸装置、卷纸机的自动换卷等气控、液控和电控设备。

纸机的辅助控制系统，我们称之为MCS系统。

2、MCS系统的的硬件设计

针对造纸机的设备配置和工艺要求的研究分析，采集各设备和信号检测点的IO信号，可为纸机的辅助设备提供一个全面的自动化控制系统解决方案。整个MCS系统，建立以CPU为核心的主站和若干个远程IO站，采用通用工业协议构建控制网络，现场的操作根据工艺要求采用现场按钮控制和现场操作屏以及上位机进行操作控制相结合，它能够让用户通过工业网络方便的实现实时控制，系统组态和数据采集，将所有的组件无缝的集成在一个自动化系统内。高性能的工业CPU处理器集成了EtherNet/IP接口，可以对驱动器和现场操作台HMI设备连接实现相关通讯控制。我们以纸机对应的网部、压榨部、前烘干部、施胶后烘干部、卷纸机等六大部分，设立6个现场操作台作为远程IO站，就近IO信号分别进6个现场操作台的IO站，同时EtherNet/IP网络能够提供一整套控制、组态以及数据采集服务。EtherNet/IP使用TCP/IP实现通讯/信息交换服务，使用UDP/IP实现控制应用的I/O通讯服务。这种基于广泛采纳的标准的组合使得该网络具有同时支持信息数据交换和实时控制应用的功能，是目前应用实例最多的实时工业以太网现场总线产品。

以太网还被用来连接上位机操作员站、工程师站和过程控制站，实现报文数据的高速传输，为操作员迅速、准确、有效的干预系统、在线修改参数和设置系统工作方式提供了必要的物质基础；作为开放式的公共信息网，它为MCS控制系统与其他第三方控制系统（如传动系统，QCS系统，DCS系统，MES系统）之间的通讯提供了标准的网络接口，同时也构成了未来工厂信息网的一个部分。

3、MCS系统的的网络结构

下图为MCS系统的网络拓扑图：

4、MCS系统的的控制和联锁功能

纸机生产线包括网部、压榨部、前烘干部、施胶机、后烘干部、卷纸机等， 现场各设备IO信号就近接入相应现场操作台内IO站，程序功能实现和满足工艺控制和联锁逻辑要求，把联锁条件信号传输给纸机主传动控制系统，以保证纸机主传动设备的正常运行和设备安全，各检测信号和设备运行状态在上位机实时监控和及时报警并自动记录和存储数据。

网部包括底网启动、面网启动允许条件、联锁停机条件等，如需启动底层网，需要满足自动张紧器已张紧、急停信号未输入、吸移辊不在下降限位位置、面网复合辊未闭合，才可启动底层网。当底网停止时，面网同时停，复合辊同时抬起，且相应的造纸车间的流送系统的成浆泵、冲浆泵也同时停止。底网与面网速差大于1%时，面网复合辊抬起同时停止上浆。

启动网部后，高压喷水装置就会自动开阀喷水并摆动，网停止时高压喷水同时停止摆动及喷水。刮刀电机也与网部的运行状态联锁，在联锁状态，网部运行时，刮刀就会自行摆动，网停止时刮刀同时停止摆动。

网部跑偏检测是在每张网的传动侧和操作侧分别装了二个检测开关，一个是跑偏报警信号，另一个是跑偏停车信号。当MCS系统收到网跑偏报警信号时，系统在现场操作台上发出声光报警信号，提示操作人员及时人工干预和处理问题；而当MCS系统收到网跑偏停车信号时，为防止信号有误而产生误动作，需延时3秒后，MCS系统输出停止命令给主传动系统，主传动系统随后停止相关传动分部，以保护网和相关设备。

面网复合辊在无速差信号时，可在现场操作起落，当面网与底层网速差大于1%时，面网复合辊会自动上升到上限位。

压榨部的控制包括压榨允许启动条件、压区闭合检测、压区加压， 提升 闭合、吸移辊提升/下降、毛布导辊打开、高压喷水摆动、刮刀摆动、毛布跑偏检测等，还有稀油站和液压站的联锁和报警指示。稀油站一般出油压力不能低于3.5Bar，出油压力低于3.5Bar时，在操作台上有报警指示，如15分钟不恢复系统即发出压榨部联锁停机信号。在实行压区闭合或加压时，MCS系统有联锁保护，只能在无速差的情况下才可操作，当压区上/下辊出现速差时，上/下辊会自行脱开。

烘干部分前烘干部和后烘干部，包括干部稀油站、引纸绳张紧器、断纸检测、气罩门提升控制、紙尾割刀装置，全幅断纸刀装置等。

纸尾割刀装置主要有：断纸吹气、向下吹气、圆刀启动/停止、圆刀移动。整个装置主要作引纸用，装置上还有三个限位检测，分别为操作侧限位、引纸位限位、传动侧限位。当出现断纸时，在自动状态下自动吹气并启动圆刀，引纸成功后，圆刀扩幅到传动侧，到达传动侧限位后，圆刀会自动停止。

卷纸机控制包括卷纸辊启动、卷纸主臂、辅臂、辊库及自动换卷装置、刮刀摆动、卷纸装置及缓冲制动装置。卷纸机可实现手动操作和全自动操作两种方式。辅臂摆动是通过电机、减速箱和传动系统完成，当辅臂摆动到预位置时将卷纸辊送到主臂上，主臂摆动是通过液压缸控制，使纸卷与卷纸缸保持恒定的压力。当纸卷达到规定的要求时（计长或测量直径）。主臂将纸卷推向末端，完成卷纸。待位辊子预先放置在机架上，当需要放辊时，液压系统控制自动取辊、放辊。纸卷缓冲及制动装置主要用来控制纸卷的转动，由抱闸、缓冲、气控配合完成。当纸卷达到规定的要求时（计长或测量直径），完成自动换卷。各操作台上装了压力传感器，当气压低于设定值时，就会输出气压低报警指示。

上位机集中监视并记录各数据状态；，历史数据的记录，可供生产管理人员和维护人员进行分析和优化控制，以便更好的维护正常生产。

总之，把纸机的各辅助设备包括电气、液压、气控各IO信号分类整合，统一接入到就近IO站，分站操作、全面控制和联锁的投入，提高了生产工艺控制精度和生产效率，整体提升国产纸机的自动化装备水平。■