摘要：文章就應(yīng)用臺達(dá)變頻器的造紙機(jī)電氣傳動控制系統(tǒng)中的負(fù)荷分配、速度鏈、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)及通訊等內(nèi)容進(jìn)行了較為詳細(xì)地描述。這種基于s7-300PLC的三級控制的全數(shù)字控制系統(tǒng)適用高速紙機(jī)的高速度、高可靠性控制性能的需要。
關(guān)鍵詞：造紙機(jī)；變頻器；系統(tǒng)設(shè)計(jì)
引言 本文所設(shè)計(jì)的紙傳動控制系統(tǒng)為應(yīng)用臺達(dá)變頻器和西門子PLC所組成的控制網(wǎng)絡(luò)來完成造紙機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的；其電氣傳動控制系統(tǒng)是基于S7-300PLC三級控制的交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。紙機(jī)的主要參數(shù)如下：
生產(chǎn)品種：薄頁紙；凈紙寬度：2400mm；工作車速：250-300 m/min；設(shè)計(jì)車速：350m/min；紙張定量：17-40g/m2；爬行速度：15-25m/min；
紙機(jī)主傳動點(diǎn)參數(shù)（30個(gè)傳動點(diǎn)，總傳動功率為538.5KW）見表1：
1 紙機(jī)對電氣傳動控制系統(tǒng)的要求
該造紙機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖
該紙機(jī)正常運(yùn)行對電氣傳動控制系統(tǒng)的要求基本有以下幾點(diǎn)。
1.1紙機(jī)傳動系統(tǒng)要有一定的穩(wěn)速精度和快速動態(tài)響應(yīng)。其中穩(wěn)態(tài)精度±0.02－－ 0.01%，動態(tài)精度0.1%－－ 0.05%;
1.2工作速度要有較寬、均勻的調(diào)節(jié)范圍，適應(yīng)生產(chǎn)不同品種、定量的需要。調(diào)節(jié)范圍為I=1：10之間；
1.3各傳動分部間速比穩(wěn)定、可調(diào)。為了使紙機(jī)可以生產(chǎn)良好的紙頁和提高紙機(jī)正常工作時(shí)間，紙機(jī)各分部的速度必須是穩(wěn)定、可調(diào)的。各分部的調(diào)速范圍為±8～10%；
1.4 爬行速度。為方便檢查、清洗聚酯網(wǎng)、壓榨毛毯、以及檢查各分部的運(yùn)行情況，各分部應(yīng)具有15～30米/分可調(diào)的爬行速度。但這樣低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不宜過長，以減少無效的運(yùn)行和機(jī)械磨損；
1.5 具有剛性或柔性連接的傳動分部間，在維持速度鏈關(guān)系基礎(chǔ)上，還須具有負(fù)荷動態(tài)調(diào)整的功能，以免造成由于負(fù)荷動態(tài)轉(zhuǎn)移而引起有的分部因過載而過流，有的分部因輕載而過壓；
1.6 各分部具有微升、微降功能，必要的顯示功能，如線速度、電流、運(yùn)行、故障信號等。相關(guān)聯(lián)的分部具有單動、聯(lián)動功能；
1.7 紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)，應(yīng)具有良好接口能力，可與QCS控制、蒸汽控制等子系統(tǒng)上聯(lián)上位工控機(jī)及工廠管理級計(jì)算機(jī)；
2 紙機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
我們的選型原則是：優(yōu)化設(shè)計(jì)，程序通用化，界面美觀化，使整個(gè)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高、魯棒性強(qiáng)。
紙機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該控制系統(tǒng)采用交流變頻分部傳動控制，三級控制方式。第一級為驅(qū)動級，變頻器采用臺達(dá)公司VFD-B系列高功能，向量型交流變頻器，由閉環(huán)控制編碼器反饋板，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。第二級為PLC控制系統(tǒng)，采用西門子S7-300 PLC，S7-300與變頻器組成RS485總線控制網(wǎng)絡(luò)，通訊速率最高可達(dá)19.2Kbit/s，并完成自動卷取及輔助部分的機(jī)電一體化功能;第三級為上位控制系統(tǒng)，采用DELL公司工控機(jī),用于紙機(jī)傳動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)整個(gè)紙機(jī)自動控制。并可通過工業(yè)以太網(wǎng)與QCS系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、廠級管理級等聯(lián)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)紙機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化控制。
圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3 紙機(jī)電氣傳動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)硬件選型
硬件選擇依據(jù)系統(tǒng)的控制精度、通訊速度、響應(yīng)時(shí)間、高性價(jià)比、高可靠性的原則，選用Siemens S7 314PLC、CP340通信處理器，作為系統(tǒng)主控單元，控制整個(gè)系統(tǒng)。上位機(jī)選用采用DELL工控機(jī),配置為“PIV2.0G/21”，用于紙機(jī)傳動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控。
變頻器選用臺達(dá)公司的VFD-B系列高功能，向量型變頻器，臺達(dá)B系列新一代高功能無感測向量控制型變頻器,具有功能齊全、調(diào)速精度高、穩(wěn)定性好及可應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。可廣泛應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)機(jī)械、工廠過程控制自動化、建筑、石化、冶金、鋼鐵、能源、電力、樓宇、環(huán)保等國民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)。其主要特點(diǎn)有：/F控制,無感測向量控制模式；內(nèi)置PID功能及PID disable功能；PG速度閉環(huán)精確速度控制；自動偵測(autotunning)功能；擺頻功能；飛速啟動,速度追蹤功能；主,輔頻率及比例加法運(yùn)算選擇功能；15段速及自動程序運(yùn)轉(zhuǎn)；內(nèi)置DC Reactor；計(jì)數(shù)器，馬達(dá)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間；散熱風(fēng)扇動作模式設(shè)定；簡易定位控制；風(fēng)機(jī)/泵控制等；節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)；RS485通訊接口,支持Modbus協(xié)議等。
圖3 紙機(jī)電氣控制原理圖（以傳動電4為例）
總之，臺達(dá)系列高性能變頻器的精巧設(shè)計(jì)可較理想地滿足該機(jī)的高傳動性能的需要。該紙機(jī)由30個(gè)傳動點(diǎn)構(gòu)成，變頻器所實(shí)現(xiàn)的調(diào)速功能由PLC通過通訊指令控制，所以每臺變頻器從自身來講功能基本相同，我們以該紙機(jī)的一個(gè)傳動點(diǎn)電氣控制原理圖如圖3所示為例來說明它在造紙機(jī)中如何讓應(yīng)用。
圖3中，起停運(yùn)行右外部按鈕通過繼電器觸點(diǎn)完成，造紙機(jī)運(yùn)行只有正轉(zhuǎn)，恒速選擇在這里我們用作爬行功能，繼電干觸點(diǎn)輸出接電源信號后作為停止指示，運(yùn)行指示通過啟動繼電器觸點(diǎn)帶指示燈完成，因?yàn)樵旒埇F(xiàn)場控制柜操作臺分別在現(xiàn)場和控制室，所以所有的指示都有兩套，如起停指示燈H042、H043、H044，電流表PA041、PA042等。為提高控制精度，采用編碼器反饋構(gòu)成閉環(huán)控制。其他控制功能的實(shí)現(xiàn)均通過PLC軟件與變頻器通訊完成，下邊將詳述。
3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)
程序模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各種功能以子程序結(jié)構(gòu)適時(shí)調(diào)用實(shí)現(xiàn)；程序采用循環(huán)掃描方式對速度鏈上的傳動點(diǎn)進(jìn)行處理，提高程序執(zhí)行效率；程序設(shè)計(jì)通用性強(qiáng)，并具有必要的保護(hù)功能和一定的智能性。主程序的流程如圖4示。
圖4 主程序流程圖
3.2.1速度鏈設(shè)計(jì)
(1) 速度鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。速度鏈結(jié)構(gòu)采
用二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，先對各傳動點(diǎn)進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，確定速度鏈中各傳動點(diǎn)編號，此編號應(yīng)與變頻器設(shè)定的地址一致。即任一傳動點(diǎn)由3個(gè)數(shù)據(jù)（“父子兄”或“父子弟”）確定其在速度鏈中的位置，填入位置寄存器相應(yīng)的數(shù)值。由此可構(gòu)成滿足該機(jī)正常工作需要的速度鏈結(jié)構(gòu)。
(2) 算法設(shè)計(jì)。速度鏈的設(shè)計(jì)采用了調(diào)節(jié)變比的控制方法實(shí)現(xiàn)速度鏈功能,把壓榨作為速度鏈中的主節(jié)點(diǎn)，該點(diǎn)速度即紙機(jī)的工作車速，調(diào)節(jié)其速度即調(diào)節(jié)整機(jī)車速。其它各分部點(diǎn)的速度由該點(diǎn)車速乘以相應(yīng)的變比得到。由PLC檢測其它分部車速調(diào)節(jié)信號，通過操作該部增、減按紐的操作改變其速比，則改變相應(yīng)分部的車速。
3.2.2 負(fù)荷分配設(shè)計(jì)
該紙機(jī)傳動結(jié)構(gòu)上有柔性聯(lián)結(jié)的傳動點(diǎn)，烘缸部和壓榨部。它們之間不僅要求速度同步還需要負(fù)載率均衡，否則會造成一個(gè)傳動點(diǎn)由于過載而過流，而另一傳動點(diǎn)則由于被帶動而過壓，影響正常抄紙，甚至可能撕壞毛布，損壞變頻器、機(jī)械設(shè)備。因此這兩個(gè)傳動部分的傳動點(diǎn)之間需要負(fù)荷分配自動控制。
負(fù)荷分配工作原理：假設(shè)P1e、P2e為兩臺電機(jī)額定功率，Pe為額定總負(fù)載功率，Pe= P1e+P2e 。P為實(shí)際總負(fù)載功率，P1、P2為電機(jī)實(shí)際負(fù)載功率，則P= P1+ P2。系統(tǒng)工作要求 P1=P*P1e/Pe ，P2=P*P2e/Pe，兩個(gè)值相差≤3%。
由于電機(jī)功率是一間控制接量。實(shí)際控制以電機(jī)定子轉(zhuǎn)矩代替電機(jī)功率進(jìn)行計(jì)算。
PLC采樣各分部電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，計(jì)算每一組的總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩，根據(jù)總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩計(jì)算負(fù)載平衡時(shí)的期望轉(zhuǎn)矩值。計(jì)算平均負(fù)荷轉(zhuǎn)矩方法如下公式所示。
PLC通過Modbus總線得到電機(jī)轉(zhuǎn)矩，利用上述原理再施以PID算法，調(diào)節(jié)變頻器的輸出，使兩電機(jī)轉(zhuǎn)矩百分比一致。即完成負(fù)荷自動分配的目標(biāo)。
設(shè)置最大限幅值，如果負(fù)荷偏差超過該設(shè)定值，要停機(jī)處理，以防機(jī)械、電氣損害發(fā)生。負(fù)荷分配控制實(shí)現(xiàn)的前提是合理的速度鏈結(jié)構(gòu)，使負(fù)荷分配的傳動點(diǎn)組處于子鏈結(jié)構(gòu)上，該部負(fù)荷調(diào)整時(shí)，不影響其它的傳動點(diǎn)，因此速度鏈結(jié)構(gòu)是采用主鏈與子鏈相結(jié)合的形式。
3.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)與通訊
本系統(tǒng)通過STEP7軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，用STEP7創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，先選擇PLC的類型，并添加MPI總線、操作屏、工控機(jī)、并為變頻器分配網(wǎng)絡(luò)地址。
在該系統(tǒng)中上位機(jī)、PLC屬于第一類主站（DPM1），主要完成總線通信控制和管理。操作屏屬于第二類主站，主要完成各站點(diǎn)的數(shù)據(jù)讀寫、系統(tǒng)配置、故障診斷等。操作屏用SIEMENS的ProTool軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)采用SIEMENS的WINCC軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對整機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
上位機(jī)與PLC之間通用MPI電纜通訊。網(wǎng)絡(luò)采用RS485傳輸技術(shù)，使用專用屏蔽雙絞線。PLC與操作屏間是通過數(shù)據(jù)影像實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊。主站與從站間采用循環(huán)查詢方式，完成對變頻器的讀寫操作。
3.4輔助控制的機(jī)、電、液一體化設(shè)計(jì)
輔助部分的機(jī)、電、液一體化、連鎖及保護(hù)、卷紙機(jī)自動換卷控制、稀油站潤滑系統(tǒng)等輔助電氣系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行和設(shè)備安全。
5 結(jié) 語
該紙機(jī)在山東一造紙廠經(jīng)近一年多的實(shí)際紙機(jī)運(yùn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)的穩(wěn)速精度、動態(tài)響應(yīng)、負(fù)荷分配效果、紙頁質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性等指標(biāo)都得到了用戶的肯定。這種基于臺達(dá)變頻器和S7-300PLC的紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)是可行的、合理的。
