0 引言
目前在造紙行業(yè)中，國內(nèi)外大小廠家廣泛采用的仍然是傳統(tǒng)的油加熱和蒸汽加熱造紙烘缸。在多年的生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)造紙烘缸設(shè)備暴露出諸多的不足：能源利用率低、設(shè)備投資大、污染環(huán)境、生產(chǎn)事故頻發(fā)等。隨著近些年國際上能源緊缺現(xiàn)象的加劇以及人們環(huán)保意識的增強，各個工業(yè)部門都在不斷改造老舊的設(shè)備，開發(fā)節(jié)能高效的新型設(shè)備。作為造紙生產(chǎn)線中的耗能大戶，加熱烘缸的改造，需要從根本上改變由熱油和過熱蒸汽作為加熱介質(zhì)的加熱方式，尋找一種簡單方便又無污染的替代方案。
“感應加熱”是一種合適的加熱方式，具有熱效率高、加熱均勻、安全等特點，在鋼鐵冶煉、汽車制造等行業(yè)已有成功應用。本文將“感應加熱”應用到造紙烘缸設(shè)備的開發(fā)中，設(shè)計了一個小型試驗紙機中頻感應烘缸，并利用SIEMENS S7-200系列PLC產(chǎn)品，開發(fā)了一套成本低、控制精確、操作方便的控制系統(tǒng)。經(jīng)過調(diào)試運行，電磁感應烘缸完全可以滿足原有生產(chǎn)工藝的要求，運行穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯，可以作為傳統(tǒng)烘缸的替代產(chǎn)品，有廣闊的市場前景。
1 感應加熱電源
1．1 感應加熱電源原理
開發(fā)感應加熱電磁烘缸，關(guān)鍵是開發(fā)穩(wěn)定可靠的感應加熱電源系統(tǒng)。目前各個領(lǐng)域投入使用的感應加熱電源，主要結(jié)構(gòu)大致相同，都是由如下的幾部分組成：
(1)整流變換電路(AC-DC)；
(2)逆變電路(DC-AC)；
(3)諧振負載電路；
(4)電源保護及控制電路。
感應加熱電源的原理圖如圖1所示。其中，整流變換電路將50 Hz工頻市電轉(zhuǎn)換為直流電；根據(jù)整流得到的直流電壓大小是否可變，整流電路可以分為“可控整流”和“不可控整流”，其中“不可控整流”只需要采用大功率二極管作為整流元件即可，電路結(jié)構(gòu)簡單，可有效降低設(shè)備成本；整流后的直流電再經(jīng)過逆變電路，變換成大小和方向都隨時間變化的交流電，其頻率和幅值可以通過逆變電路控制；按要求得到的交變電流加載到諧振負載電路上，在負載線圈上產(chǎn)生交變的磁場，從而在置于交變磁場中的金屬器件表面產(chǎn)生渦流，完成能量的傳遞，達到加熱金屬器件的目的；“保護控制電路”起保護作用以及調(diào)節(jié)加熱功率的大小。
1．2 串聯(lián)諧振型感應電源
串聯(lián)諧振型感應電源又稱“電壓型感應電源”，其主電路原理圖如圖2所示。A 區(qū)域部分為三相橋式不可控橋式整流電路，它將工頻交流電整流成脈動的直流電ud；B為直流中間路，它由一個濾波電感和濾波儲能電容組成，它把50Hz工頻網(wǎng)絡(luò)和中頻網(wǎng)絡(luò)隔開，電容很大，它兩端基本上是平滑的直流電壓u'd，此電壓是在逆變電路C還沒有工作前電容器就儲能建立的電壓，以便于啟動逆變電路；C 為單相橋式串聯(lián)逆變電路，它將直流電壓u'd逆變?yōu)橹蓄l方波電壓ud，并把它加到負載電路；負載電路D為電感器和電容器組成的串聯(lián)振蕩電路，它對工件進行感應加熱。中頻電壓u'd中含有明的基波和諧波成份：接近諧振頻率的基波電壓加到串聯(lián)振蕩電路時，振蕩電路呈高阻，比基波頻率高幾倍的諧波電壓加到串聯(lián)振蕩電路時，振蕩電路呈現(xiàn)很小的阻抗。所以方波電壓加到串聯(lián)振蕩電路時，感應器負載電流ia實際上接近于正弦波。
1．3 逆變調(diào)功
逆變調(diào)功是整流部分不采用相控整流，而是用簡單的不可控整流代替，整流輸出電壓不可控制，通過在逆變過程中改變頻率或者相位角等辦法來實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)的方法。常見調(diào)功方法主要有脈沖頻率調(diào)制法(PFM)、脈沖密度調(diào)制法(PDM)、脈沖寬度調(diào)制法(PWM)等。
PWM法是通過調(diào)節(jié)輸出電壓的脈沖寬度以及輸出頻率來實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)的。由于改變脈動寬度時，脈沖的周期也變化，頻率相應改變，為了區(qū)別于工作頻率不變的移相PWM方法，也稱這種方法為脈沖寬度與頻率混合調(diào)制(PWM＆PFM)方法。
一般的逆變器如DC-DC變換逆變器中，常用的移相PWM方法的工作頻率是固定的，不需考慮負載在不同工作頻率下的特性。而串聯(lián)諧振感應加熱電源要求其工作頻率必須跟蹤負載的諧振頻率。在串聯(lián)諧振感應加熱電源使用移相PWM方法時，通常使某一橋臂的驅(qū)動脈沖信號與輸出電流的相位保持一致，另一橋臂驅(qū)動脈沖信號與輸出電流的相位差則可以調(diào)節(jié)，通過改變兩個橋臂開關(guān)器件的驅(qū)動信號之問的相位差，來改變輸出電壓有效值，以達到調(diào)節(jié)功率的目的。由于PWM＆PFM 調(diào)功方式具有不可控整流、電路簡單、成本較低、功率調(diào)節(jié)范圍寬、控制電路實現(xiàn)較易、頻率變化不大等優(yōu)點，開發(fā)的電磁感應烘缸中將采用此種調(diào)功方式。
2 烘缸設(shè)計及PLC硬件
2．1 電磁烘缸的物理組構(gòu)
在系統(tǒng)生產(chǎn)的過程中，烘缸設(shè)備是需要一直轉(zhuǎn)動的，如何將電感線圈與轉(zhuǎn)動的烘缸設(shè)備組合在一起，既滿足線圈與烘缸設(shè)備之間傳遞能量的需要，又不影響烘缸的轉(zhuǎn)動，生產(chǎn)過程中的引致等操作，在物理實現(xiàn)上還必須簡單實用，這種線圈與烘缸的組合方式稱為電磁烘缸的物理組構(gòu)。
造紙烘缸主要由烘缸體、烘缸罩、以及變頻電機和齒輪箱組成。與傳統(tǒng)的油熱烘缸和蒸汽烘缸不同，電磁烘缸體內(nèi)部不需要通入加熱介質(zhì)，不需要封閉，只需要三根輻條支撐在內(nèi)缸體表面即可。烘缸罩位于烘缸缸體的頂部，可以上下活動。當需要引紙時，通過控制箱上的按鈕可以將烘缸罩抬起，此時電磁烘缸停止加熱；當引紙操作完成，正常操作時候，放下烘缸罩，感應電路對烘缸加熱。烘缸罩的抬升與降落采用手動方式，配置小型空氣壓縮機。利用上下行程開關(guān)，保證烘缸罩降落時與缸體表面有合適的間距。
2．2 造紙生產(chǎn)工藝流程
在造紙生產(chǎn)工藝流程中，紙漿過濾去水之后，形成薄薄的一層附著在傳動帶上。這些潮濕的紙漿先被傳送到幾個烘箱中，經(jīng)初步的烘烤去掉一些水分。烘箱中自上而下吹入100℃以上的熱空氣，熱風的溫度可以調(diào)節(jié)。潮濕的紙漿薄層在熱空氣中一部分水分揮發(fā)，水蒸氣隨熱風吹走，達到預烘干的目的。潮濕的紙張從烘箱中出來以后，再到表面溫度1400℃左右的烘缸上烘烤，去掉剩余的大部分水分。烘缸表面的溫度需要根據(jù)不同的紙張厚度和紙張材質(zhì)，以及走紙的速度來上下調(diào)整。
本課題開發(fā)的造紙系統(tǒng)，在整個工藝流程中潮濕紙漿薄層成型后，附著在傳送帶上經(jīng)過了三個烘箱。三個烘箱設(shè)備結(jié)構(gòu)基本相同，采用的是電熱烘箱。每個烘箱上部裝有電熱板，通入電流后，電熱板發(fā)熱，從頂部吹入的冷風被加熱成熱空氣，吹到傳送帶上對紙漿薄層進行預干燥。使用標準的4～20mA電流信號來控制流經(jīng)電熱板的加熱電流，從而實現(xiàn)對加熱功率的控制，調(diào)節(jié)烘箱內(nèi)的溫度。
散熱排濕及空氣循環(huán)系統(tǒng)部為冷空氣進風總管，由鼓風機向其中吹氣?？偣芊譃槿齻€分管，經(jīng)過幾層電熱板進入三個烘箱內(nèi)。在分管的入口處，各有一個插片式擋板，改變擋板的插入深度，可以改變進風量。
冷空氣被電熱板加熱后，熱風對著潮濕紙張吹干去濕，與揮發(fā)的水蒸氣混合，熱風濕度增大，溫度降低；三個烘箱內(nèi)的濕風在烘箱底部經(jīng)排濕口排出。排濕入口處也各裝有一個插片式擋板，可以調(diào)節(jié)排出去的濕風流量，調(diào)節(jié)烘箱內(nèi)的濕度。另外，在排濕口總管的出口處，安裝有抽風機，吸出三個烘箱以及烘缸罩內(nèi)的潮濕空氣。經(jīng)過烘箱后的潮濕空氣，雖然溫度有一定降低，但是仍然有相當部分的熱量，全部排出不再利用從節(jié)能的角度看有些浪費。因此設(shè)計了潮濕熱風的回流，在排濕總管上分出一部分重新進入進風總管，從而有效地提高了能源的利用率?；亓鬟M風量的多少，也通過一個插片式擋板來調(diào)節(jié)。
電磁烘缸是最后一道造紙加熱工序，經(jīng)過預干燥之后的紙張，與高溫的烘缸表面接觸，除去剩余的水分，產(chǎn)生大量的水蒸氣。由于水蒸氣密度小于空氣，會上升被烘缸罩收集。烘缸罩頂部也留有一排濕口，并與排濕總管相連。在排濕口抽風機的吸力下，順利排出室外。
2．3 PLC硬件
2．3．1 S7-200系列小型PLC系統(tǒng)
SIMATIC S7-200系列PLC是SIEMENS推出的面向微型及小型應用的PLC系統(tǒng)。目前它已應用于各行各業(yè)、各種場合的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7- 200系列秉承了SIEMENS PLC產(chǎn)品功能全面、質(zhì)量可靠、應用靈活的特點，其強大的功能使其無論在獨立運行中，或者相互連成網(wǎng)絡(luò)時皆能實現(xiàn)復雜的控制功能。它外型小巧、安裝方便、具備多種擴展模塊，且可以對CPU擴展存儲器容量，能滿足絕大多數(shù)小型系統(tǒng)的控制要求，與同類PLC產(chǎn)品相比具有極高的性價比。S7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面： a．極高的可靠性；b．極豐富的指令集；c．易于掌握；d．便捷的操作；e．豐富的內(nèi)置集成功能；f．實時特性；g．強勁的通訊能力；h．豐富的擴展模塊。
S7-200系列產(chǎn)品可以提供5種不同性能的CPU模塊供客戶選用，以控制系統(tǒng)成本。它包括一系列的擴展模塊，比如數(shù)字量輸入(DI)、數(shù)字量輸出 (DO)、模擬量輸入(AI)、模擬量輸出(AO)、熱電阻模塊(RTD)，以及以太網(wǎng)、調(diào)制解調(diào)器模塊、Prohibits-DP擴展模塊等等一系列功能強大的模塊，可以方便地與各種現(xiàn)場儀表配合使用，采集現(xiàn)場的各種信號并控制各種設(shè)備的運行。
S7-200系列產(chǎn)品還提供有小型的人機接口(HMI)設(shè)備-TD200文本顯示(Text Display)裝置，可以方便地設(shè)置系統(tǒng)的各個參數(shù)，實時地顯示關(guān)鍵變量值，并且組態(tài)簡單、方便好用、價格便宜，省去了專門的IPC設(shè)備及上位機監(jiān)控軟件，節(jié)省了系統(tǒng)成本。用TD200作為本系統(tǒng)的人機交互界面，完全可以滿足生產(chǎn)過程對參數(shù)改變的要求。另外，SIEMENS提供的專門針對S7-200系列PLC編程的Micro／Win step7軟件，支持梯形圖等3種PLC編程方式，好學易用；并且集成了PID算法模塊、數(shù)字濾波算法模塊等常用的功能，供編程人員調(diào)用，極大地提高了開發(fā)效率，縮短了開發(fā)時間，節(jié)省了系統(tǒng)開發(fā)成本。
2．3．2 PLC外圍擴展模塊
在PLC程序中，主要是要實現(xiàn)對五套回路的控制：三套電烘箱的功率控制回路，以及兩個電磁感應烘缸線圈的功率控制。三個烘箱的溫度檢測采用PT100鉑熱電阻，用三線制接法直接接入溫度檢測(RTD)擴展模塊；電磁烘缸的溫度檢測不能使用鉑熱電阻，而是采用紅外測溫儀，紅外測溫探頭直接將檢測到的溫度轉(zhuǎn)化為0～5V標準電壓信號，通入模擬量輸入模塊(AI)，占用一個AI通道。兩個電磁感應烘缸線圈回路使用同一個烘缸溫度信號即可。五個內(nèi)環(huán)電流檢測，使用互感線圈將0～50A的電流信號，轉(zhuǎn)化為0～5V的電壓信號，輸入AI模塊，占用5個AI通道。
另外需要控制的是烘缸的轉(zhuǎn)速。烘缸由一個變頻電機驅(qū)動，經(jīng)過齒輪箱減速，使烘缸按不同速度轉(zhuǎn)動。通過輸出一個4～20mA的控制電流給控制柜中的變頻器，從而調(diào)整整個系統(tǒng)的走紙速度，變頻器的輸出占用一個AO點。統(tǒng)計以上模擬量需求，共需要：
(1)RTD輸入點數(shù)：3
(2)模擬量輸入點數(shù)：6
(3)模擬量輸出點數(shù)：6
另外需要控制比如吹風、去濕電機的起停，烘缸罩的升降等數(shù)字量信號，在CPU226XM上帶有24位的數(shù)字量輸入、16位的數(shù)字量輸出通道，已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)中數(shù)字量的輸入輸出，不需要另外選擇數(shù)字量擴展模塊。
綜上所述，最后選擇的S7-200系列PLC硬件模塊如下：
(1)CPU控制器：CPU226XM;
(2)溫度檢測模塊：EM231，2塊；
(3)模擬量輸入模塊：EM231，2塊；
(4)模擬量輸出模塊：：EM232，2塊；
(5)電源(24V直流穩(wěn)壓源，5A)，1塊。
3 PLC軟件及控制算法
3．1 PLC編程軟件及通訊
對于SIEMENS S7-200系列PLC，西門子公司提供了Windows平臺下的編程軟件Micro／Win step7，包含完整的國際化支持，可以使用完全的中英文界面進行操作，降低了使用的難度。Micro／Win step7軟件有以下特點：a．Step7-Micro／WIN是在Windows平臺下運行的SIMATIC S7-200PLC編程軟件，簡單、易學、能夠解決復雜的自動化任務；b．適用于SIMATIC S7-200PLC機型軟件編程；c．支持IL、LAD、FBD三種編程語言，可以在三者之間相互切換；d．程序塊具有密碼保護功能；e．提供軟件幫助你調(diào)試和測試你的程序，它包括監(jiān)視S7-200用戶正在執(zhí)行的程序狀態(tài)，為S7-200指定進行程序的掃描次數(shù)，強制變量值等；f．指令向?qū)Чδ埽篜ID自整定界面，PLC內(nèi)置脈沖輸出(PTO)，脈寬調(diào)制(PWM)，指令向?qū)В瑪?shù)據(jù)記錄向?qū)?，配方向?qū)У?；g．支持TD200和TD200C文本顯示界面。 Step7-Micro／Win編程軟件通過支持協(xié)議的編程電纜進行通訊、上傳、下載程序，是最簡單，最經(jīng)濟的通訊方式。
3．2 串級PI D控制
造紙生產(chǎn)中，烘缸最重要的參數(shù)是烘缸表面工作溫度T，它直接影響到成品紙的質(zhì)量。由于溫度T有延遲大、升溫慢、慣性大等特點，較難控制。因此，在設(shè)計中采用串級控制，它主要有以下的一些特點：
(1)副回路所受的干擾，當還沒有影響到被控量時，就得到副回路的有效控制；
(2)副回路中的參數(shù)變化，由副回路給予控制，對被控制量的影響大大減弱；
(3)副回路的慣性由副回路給予調(diào)節(jié)，因而提高了整個系統(tǒng)的響應速度。
串級控制控制框圖如3所示，外環(huán)的控制對象為溫度T，內(nèi)環(huán)控制對象為負載電路的輸出電流IO。
在烘缸座架上安裝紅外線溫度探頭，將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號采集到PLC模塊中，在程序中經(jīng)過平滑濾波等步驟得到烘缸表面的平均溫度TO。TO與設(shè)定溫度 Tsp 比較，其差值作為PID模塊的輸入，經(jīng)過以上介紹的PID算法計算后，輸出信號用來調(diào)整負載電路加熱電流IO的設(shè)定值Isp。實際加熱電流經(jīng)過互感線圈采集到PLC模擬量模塊，與I sp比較后作為內(nèi)環(huán)PID模塊的輸入，計算后由PLC輸出一個4～20 mA的控制電流來調(diào)節(jié)功率輸出。整個系統(tǒng)中的各個變化量，比如溫度T、加熱電流大小IO、控制信號毫安數(shù)、烘缸轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)顯示在TD200的屏幕上，操作員可以清楚看到這些變量的實時變化情況，并可通過設(shè)定溫度T的給定值、加熱電流的給定值自動或半自動地調(diào)整加熱功率。
3．3 TD200交互界面及控制面板
在生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)工藝參數(shù)的改變，因此需要改變溫度的設(shè)定值等參數(shù)，同時，為了更好地實施監(jiān)控，需要了解各個相關(guān)的參數(shù)。TD200通過自帶的線纜和CPU模塊串口相連接，不需要額外的外加電源，它可以顯示多種語言，CPU運行時，組態(tài)好的TD200屏幕上可以顯示數(shù)字或CPU中變量的實時值，還可以通過編程組態(tài)方式及直接的方式更改TD200上變量的值。
3．4 編程注意事項
在PLC程序的設(shè)計中，要特別注意以下幾個問題：
(1)因為線圈在某一時刻只能加熱烘缸表面的某一個部分，如果烘缸不轉(zhuǎn)動，則會造成烘缸缸體局部過熱，嚴重時造成缸體變形損壞。因此在程序中要對加熱啟動進行保護，判斷烘缸轉(zhuǎn)速大于某一速度，條件滿足才能啟動加熱。
（2）線圈位于烘缸罩內(nèi)部，隨烘缸一起升降。線圈與缸體的距離影響到線圈電感量L值的大小。生產(chǎn)中由于卷紙的需要，經(jīng)常要抬起烘缸罩，在程序中要加上保護，檢測到烘缸被抬起，要馬上停止加熱。
（3）啟動和停止加熱的時候，功率變化較大，對電網(wǎng)的沖擊很大。在控制程序中，要限制輸出功率的變化率。啟動和停止的過程中，控制程序要緩慢地提高設(shè)定功率或者緩慢地減小功率直到完全停止。
4 總結(jié)
本文從電磁感應加熱電源的原理及組成、烘缸的結(jié)構(gòu)、造紙加熱生產(chǎn)線的工藝、PLC控制系統(tǒng)的組成、PID控制算法等幾個方面對造紙用電磁感應加熱烘缸做了全面細致的描述。在對原有蒸汽加熱烘缸改造的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一套操作方便、節(jié)能高效的電磁烘缸加熱系統(tǒng)，在滿足原有的“紙張去濕率”的前提下，達到更好的烘干效果。與原有系統(tǒng)相比，去濕率提高20~30%，節(jié)能40~50%，有明顯的經(jīng)濟效益；減少了廠房占地面積，基本上無污染，有加溫速度快、操作方便等特點。
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