美卓新的控制理念使节约成本、改善运行性能和增加效率成为可能
　　1 背景
　　在控制理论上，几十年来造纸生产线的传动控制没有变化，目前正在使用的控制方法是从上个世纪50年代开始的。造纸机的分布传动和复卷机典型的独立控制系统由一个传动供应商供货。也就是说，设备供应商提供其设备的控制系统。由于独立传动的复杂功能，在设备控制系统和传动控制系统之间的数据链接由几百个信号组成。
　　传动供应商典型的供货是就地操作盘，它只对在现场的传动进行操作。在控制室里面，也经常会给操作人员提供一个传动界面，但它还是要求在系统之间设置有由几百个信号构成的连锁。这种传动概念由于多重数据的连锁而变得非常复杂。还会给问题的处理和设备的维护造成困难。
　　这种状况阻滞了任何一个要对纸机传动进行改进的想法，导致造纸生产线本身也变得更为复杂，对纸机和传动之间进行无缝操作提出了要求。纸机由很多部分组成，如中心传动的卷纸机和复卷机，它们从纸机控制系统接收速度或者扭矩的设定值，其运算原理是基于纸机的几何状态来做运算。这对整体设备和造纸工艺又一次提出了要具备更先进专有知识的要求。
　　2 传动张力和速度控制的新方法
　　为了克服这些障碍，美卓公司革命性地对传动控制进行了新的开发，将传动控制和设备控制系统整合在一起。另外，美卓公司在现代化控制理论的基础上应用了新的运算方法改善控制精度。采用这种新的理念后马上从传动的运行上看到了改进后的效果，也为进一步改善运行性能和质量打开了一道门。

　　图 1 美卓公司的扩展控制概念。

　　3 用户获得重大利益
　　把传动控制和纸机控制整合成为一个系统可以带来许多好处。
　　3.1 降低投资和维护费用
　　有一个好消息是，与传统的传动控制相比较，取得这种额外的性能并不需要投入额外的成本。美卓公司的传动控制可以更好地适应设计的目的。因为不必要的瓶颈问题被消除了，控制系统的硬件和软件更有效的被使用。由于更加简单和与设计更加一致，维护和处理问题也变得更容易。
　　下列原因成就投资成本降低：
　　● 整合的纸机控制系统(MCS)
　　● 简单的软件和硬件结构
　　● 在开机，开机后期服务，解决问题的时候，传动供应商不需要额外派专家。
　　●使用普通备件减少投资成本
　　● 在改造的时候，由于老传动和新传动都可以使用改造后的传动进行控制，从而降低了总投资额。而且，传动可以由若干个不同的传动供应商供货。使用标准化的接口，传动控制系统与传动供应商无关。
　　下列因素可以降低服务和维护费用
　　● 整合后的系统使用的都是普通备件
　　● 系统操作比较简单→出问题少
　　● 只需要普通的维护人员，直接带来费用的节省
　　●使用普通的数据库可以快速解决问题，跟踪和帮助都在一个系统中，缩短断纸恢复时间和减少被浪费掉的生产时间
　　3.2 缩短开机时间
　　从几个方面都可以看出纸机的开机更加容易。系统整合后，传动和纸机控制的应用可以在工厂测试的阶段进行测试，从而确保平稳开机。使用更加简单的系统可以缩短学习曲线。无论是在现场还是在操作室里面，操作人员只使用一种操作界面，它包括了功能描述、对连锁和传动详细的诊断信息。一个没有不同系统之间链接的、单一的系统对于维修人员来说更容易维护。在调整和处理问题时，系统中同时存在的快速信息搜集与断纸分析可以使我们受益CONTROL ENGINEERING China版权所有，纸机控制和传动信号在精确的时间同步下可以显示出相同的趋势。
　　由于使用了标准的接口，传动控制系统与传动供应商无关。在改造项目中这一点具有独特的优势，因为这种新的传动控制系统可以控制新、旧两种传动，即使传动供应商不同也没有影响。

　　图 2 美卓公司的整合传动和纸机控制系统带给用户的收益。

　　在传动控制项目中，美卓公司为纸机运行性能承担全部责任。美卓公司的专家负责开机及开机后的服务。对所有的过程和自动化事宜只有一个合同，使项目更加简明。
　　3.3 更高的生产率
　　在美卓公司的传动控制里面有一个观念是，把张力和速度控制回路与变频器技术分开执行。高速的数据处理器和通讯能力，允许快速的传动控制回路与纸机控制整合到一起。即便主要的速度回路没有在变频器中，主要的变频器也只是扭矩的从站。
　　对于造纸工作者来说，在最有可能保证传动工作状态时，让他们选择变频器和电机供应商，他们会获得更大的自由度。美卓公司的专家们在过程和控制技术方面，对若干不同的自动化平台使用了新的计算方法。由于有更多的传动设备供应商可供选择，为造纸生产者提供了更大的灵活性，也节省了更多的费用。
　　上述事实直接带来更高的生产率：
　　● 更好的控制→断纸少→产能浪费减少
　　●  所有变量的优化控制→废纸减少→更多的产品
　　3.4 案例：复卷机增加产量
　　如果复卷机不能在优化的状态下运行，在纸机后面只配备一台复卷机就会限制产量。对产量和现金流来说，这是一个潜在瓶颈问题。传动控制的效率是影响复卷机生产的一个决定性的因素。
　　复卷机产能= f (W, S, P, Rwww.cechina.cn, D)，其中：
　　W =复卷机速度
　　S =设定的换卷时间
　　P =母卷换卷时间
　　R =复卷机的运行性能
　　D = 传动控制效率（加速/减速和张力控制）
　　3.5 传动控制的效率
　　要想获得高产量，加/减速曲线和先进的张力控制这两件事都是至关重要的。对每一台复卷机的加速和减速单独进行优化，可以把产能增加3-15%（见图4）。按照传动所具备的最大能力，连续地控制速度参考值，可以优化加速和减速的爬升和下降。由于退纸母卷和复卷纸的转动惯量不断的变化，能够获得的最大产能也处于不断地变化中。
　　在自动停机和复卷机换卷控制方面，改变减速速率是一个挑战。对减速速率优化后，要想在停机时把卷纸和退纸长度的精确度控制在小于1米是一个复杂的任务。在正确的速度下，采用几毫米的控制精度，根据纸幅张力参考值的精确性和设定变化位置的状况，传动必须获得最大的减速把复卷机精确地停下来。显然，最好的解决方案是使用整合的控制系统，对纸机和传动同时进行控制。
　　美卓公司新的整合传动控制可以使上述改进成为可能。美卓公司的传动控制仅使用一个自动化系统代替了两个系统，使操作更迅速，而且通讯没有延迟。在这里，真正的突破是成就了一个更加综合性的传动控制模式。目前它考虑到两个因素，复卷机的特性以及复卷过程自己。

　　图 5 在变化中的状态下，多变量控制的优势很容易被检测到。

　　4 PID控制回路不再是最新的控制方法了
　　众所周知的比例-积分-微分控制是工业控制的主要方法。传动速度和张力控制也是使用这种方法。因为它易于使用，简单好懂，也可以跟小软件配合使用，所以它能够流行起来是不足为奇的。设定和调整PID控制回路对工艺知识的要求很少，一个在相关领域不熟练的工程师就可以操作它。在PID控制的设计中不需要工艺模型，这就是它的简单性。但是PID控制缺少以模型为基础的算法控制器的调整方法，在控制速度和精确性方面它就有一些局限性。
　　传动控制很自然地适合以模型为基础的设计，因为设备的基本物理模型容易得到，并且能够用参数来表示，可以准确地获得或者稍微努力就可以测量到模型的惯性、摩擦力、时间常数等等参数。
　　5 使用优化的基于模型的控制器进行精确的控制
　　仔细地评估了大量的基于模型的控制算法，美卓公司选择了一个最适合造纸生产线的速度和张力控制的模型。选中的优化算法来源于简单的控制回路调整方法，确保最有可能的调整效果，同时控制器的鲁棒性也予以了高度的关注。这就意味着如果模型参数的漂移超时，控制性能仍然可以保持很好的均衡性。
　　美卓公司新的传动控制以现代化的控制理论为基础，特别是它所应用的软件和运算法则都可以在计算机技术和模拟软件工具中找到它们。不过，对速度和张力控制所做的关键革新都源于总体控制结构，它不再是独立的单输入 - 单输出的PID控制回路了。回过头来看一下老的设计，它没有考虑到各个单独回路之间的相互干扰，速度回路控制了卷取的扭矩www.cechina.cn，但导致了纸幅张力的波动与偏差，张力回路控制了卷取的扭矩，但导致了纸幅速度的波动与偏差，存在于退纸和复卷之间的干扰，在PID回路中处理的很慢，并且只有在张力和速度干扰在较长时间出现后才得到处理。
　　美卓公司的传动控制确保精确的张力和速度控制，因此纸幅的张力和速度变化不会导致不必要的断纸，从而把产能保持在高水平上。
　　6 多变量控制方法
　　美卓公司新的传动控制设计基于多输入-多输出，或者称为多变量控制技术。例如在卷纸机，MIMO控制器包含从复卷速度到复卷扭矩的直接路径，及从纸幅张力到退纸的扭矩，
　　也包含它们之间的交叉路径。
　　如果速度偏差被纠正，MIMO控制器把输出命令送到复卷扭矩。在同一时刻，它也被送到退纸扭矩。这很自然，如果纸幅的线速度需要增加或降低，正确的扭矩参考就应该被送出去，按比例送给惯性、退纸和复卷。
　　在纸幅张力方面应用的控制同样不仅仅是退纸扭矩，也有复卷扭矩。实际上，退纸辊惯量比卷纸辊惯量要高，一个好的控制效果应该通过控制卷纸辊扭矩实现，而不是退纸辊扭矩。

　　图 6 位于芬兰Jrvenp的造纸完成技术中心的OptiCoater试验涂布机。

　　7 控制回路调整更精确
　　多变量控制器也许看起来比独立的PID回路更复杂，实际上它的调整是比较简单的。现代控制运算方法和多变量控制结构使调整更简单。在单独的PID设计中，有三个或者更多的控制器变量用于调整每一个单独回路。由于这些回路之间的互相影响，它们不能单独进行调整。
　　尽管同时有几个相互影响的控制回路，但是优化后的多变量控制器可以仅根据一个或者两个重要变量来做调整。在更复杂的设备，如机外涂布机这种包含着几个张力控制回路的设备，这个优势会更显著。最终的效果是更精确、更快的整体传动控制及更短的开机时间。

　　图 7 美卓传动控制。

　　基于模型控制的设计、数学计算和模拟软件工具可以大量模拟传动和纸幅。因为传动控制器的参数必须在纸机开机之前在模拟状态下进行调整，所以在用户现场只需要做精调。
　　8 试验纸机使美卓公司在产品革新方面更强大
　　美卓公司的试验纸机和美卓公司具备的工艺知识的优势决定了美卓公司有能力使用这种非传统的方法改进传动控制。传统的传动供货商不具备这种知识。美卓公司拥有的大量的经验来自几百台已经供货的纸机和纸板机。与最大的传动供货商不同www.cechina.cn，美卓公司发展了造纸和自动化技术，其中也包括传动控制。美卓公司革新的目标是制造更好的造纸机，而不仅仅是更好的传动。
　　美卓公司有10条以上的试验纸机和测试设备。这包括一台纸机，一台涂布机，压光机，复卷机和卷纸机。在几个不同的自动化平台和变频器上，美卓公司在试验涂布机、压光机和复卷机上对多变量传动控制进行了测试。
　　8.1 美卓公司试验涂布机传动控制改造
　　美卓公司为位于J rvenp技术中心内的试验涂布机的传动进行了改造，这是一个非常具有挑战性的、成功的传动项目的例子。在2011年9月，有35个传动点，使用了将近30年的传动被现代化的变频器和美卓公司的传动控制所取代，它们被整合在美卓公司的DNA纸机/传动控制系统中。试验涂布机在高速下，使用0.5米纸幅宽度的小纸卷，在每一次换卷时，相对于静止状态进行加速和减速试验。根据不同的涂布要求选择不同的纸幅走向，克重在25 - 350 g/m2的范围。尽管是生产这样具有挑战性的产品CONTROL ENGINEERING China版权所有，改造后的涂布机仅仅经历了一个短暂的开机阶段，其运行速度就达到世界记录的3160 m/min了。
　　试验纸机可以让美卓公司发展和测试新的传动控制技术概念，这比所有的测试都在用户的项目里进行要好得多。这是美卓公司的多变量传动控制发展项目成功的关键因素。