艾默生TD3000系列變頻器及Profibus系統(tǒng)在造紙生產(chǎn)

濟(jì)南永利泰電器設(shè)備有限公司 李景華
山東海天造紙機(jī)械有限公司 王宗海
一、概述
造紙行業(yè)以其傳動(dòng)點(diǎn)多、同步性要求高、連續(xù)化生產(chǎn)的特點(diǎn)，與冶金行業(yè)一起被稱為自動(dòng)化控制要求最高的行業(yè)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流傳動(dòng)系統(tǒng)在造紙行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，高性能、矢量控制型變頻器的出現(xiàn)，使得過(guò)去需要由直流雙閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的傳動(dòng)控制，完全可以由交流傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)完成。為了滿足不同類型的紙張生產(chǎn)和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的需要，要求造紙生產(chǎn)線向高速化、全自動(dòng)化方向發(fā)展，工業(yè)控制器（PLC）和現(xiàn)場(chǎng)總線越來(lái)越多地應(yīng)用在造紙行業(yè)。這次，在淄博第二板紙廠，采用艾默生TD3000系列矢量控制型變頻器、艾默生現(xiàn)場(chǎng)總線適配器和S7-300 PLC組成的控制系統(tǒng)，完美地實(shí)現(xiàn)了整條生產(chǎn)線的控制，為將來(lái)艾默生變頻器在高速紙機(jī)上的應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。
二、板紙生產(chǎn)線工藝簡(jiǎn)介
該板紙機(jī)的型號(hào)為HT3000/110，是多圓網(wǎng)多烘缸板紙機(jī)，適用于生產(chǎn)用木漿、廢紙漿及其它漿料抄造定量為130-250g/m²的瓦楞原紙、掛面牛皮紙及箱板紙等品種。該型板紙生產(chǎn)線主要由壓榨部、烘干部、傳動(dòng)部三部分組成。與之配套的設(shè)備有三輥半濕壓光機(jī)(即后面的光澤缸)、四輥壓光機(jī)及水平式圓筒卷紙機(jī)。
壓榨部的選型為一道雙毛布主壓榨、兩道正壓榨。壓榨部機(jī)架為型鋼焊接件，每條毛布圈路內(nèi)配置雙縫吸水箱、張緊器、校正器、高中壓噴水管及輥?zhàn)蛹訅汉蜌鈩?dòng)加壓等裝置。紙漿通過(guò)輥?zhàn)蛹訅汉蜌鈩?dòng)加壓粘附在毛布上，紙漿通過(guò)毛布之間的擠壓和雙縫吸水箱（抽真空）對(duì)紙漿脫水后初步定形為板紙。毛布最大工作張力為4.5N/mm。
各道壓區(qū)線壓：(N/mm)
雙毯主壓 設(shè)計(jì)線壓：60 工作線壓：40
一道單毯壓榨 設(shè)計(jì)線壓：80 工作線壓：60
二道單毯壓榨 設(shè)計(jì)線壓：100 工作線壓：80
烘干部為保證烘干能力，烘缸（熱源是蒸汽）直徑為Ф1500*3350mm，配有24只，其中最后一只為冷缸，烘缸分組按6+6+6+半干壓（光澤缸）+6排列。每組缸有4只缸為主動(dòng)，其余為被動(dòng)，之間通過(guò)干網(wǎng)連接。每條干網(wǎng)均配有氣動(dòng)校正器、電動(dòng)張緊器、導(dǎo)輥等。烘干部傳動(dòng)側(cè)機(jī)架采用三角機(jī)架封閉式齒輪傳動(dòng)，操作側(cè)為型鋼焊接箱型結(jié)構(gòu)，烘缸全部使用滾動(dòng)軸承，稀油潤(rùn)滑。通過(guò)壓榨部基本定形的板紙?jiān)诤娓刹勘桓删W(wǎng)壓附在烘缸表面，經(jīng)過(guò)前三組缸烘干，板紙的干度在80%~85%之間，之后通過(guò)光澤缸對(duì)板紙進(jìn)行初級(jí)壓光，然后板紙經(jīng)過(guò)第四組缸烘干，干度在90%~94%之間，此后板紙通過(guò)四輥壓光機(jī)兩次壓光成為成品板紙，最后經(jīng)過(guò)水平式圓筒卷紙機(jī)將板紙成卷。
傳動(dòng)部采用交流變頻分部傳動(dòng)形式，分別由真空回頭輥（37KW）、一壓（75KW）、二壓（37KW）、三壓（37KW）、一組缸（22KW）、二組缸（22KW）、三組缸（22KW）、光澤缸（30KW）、四組缸（22KW）、壓光（37KW）及卷紙（15KW）等11個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)組成，共計(jì)363KW，每一臺(tái)交流變頻專用電機(jī)通過(guò)硬齒面齒輪減速箱直接傳動(dòng)各主動(dòng)輥或主動(dòng)齒輪。每一傳動(dòng)點(diǎn)配有相應(yīng)的聯(lián)軸器、中間軸（包括萬(wàn)向節(jié)）和基礎(chǔ)板。各部分設(shè)置啟動(dòng)、停止、升速、降速按鈕，達(dá)到單調(diào)、統(tǒng)調(diào)、運(yùn)行/爬行等功能，設(shè)置運(yùn)行、故障指示燈，電流、速度指示儀表等。
板紙機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：
生產(chǎn)品種：瓦楞原紙、掛面牛皮紙、箱板紙等
抄造定量：130-250g/m² 凈紙寬度：3000mm
網(wǎng)寬： 3350mm 生產(chǎn)能力：55-60T/d
工作車(chē)速：75-140m/min 設(shè)計(jì)車(chē)速：150m/min
主機(jī)軌距：3900mm 傳動(dòng)方式：變頻調(diào)速，分部傳動(dòng)
裝機(jī)容量：363KW 外型尺寸：（長(zhǎng)*寬*高）67*10.5*6m


三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1、控制要求
1）、11個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)采用矢量控制型變頻器組成閉環(huán)系統(tǒng)；
2）、Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線控制
控制的重點(diǎn)是保證各傳動(dòng)點(diǎn)的線速度保持一致，尤其要保證線前兩級(jí)一壓和真空回頭輥的嚴(yán)格同步，并保證兩個(gè)電機(jī)的負(fù)荷均衡。因其工藝上的特點(diǎn)，要求轉(zhuǎn)矩控制快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，能以很高的控制精度進(jìn)行寬范圍的閉環(huán)調(diào)速運(yùn)行。并且當(dāng)某一傳動(dòng)點(diǎn)因故障停機(jī)時(shí),在不影響生產(chǎn)的情況下能正常啟動(dòng)。
2、系統(tǒng)控制方案及設(shè)備選型
該控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是在系統(tǒng)負(fù)荷變化時(shí)，如何能保證各傳動(dòng)點(diǎn)的線速度一致。
考慮到為將來(lái)的高速紙機(jī)做技術(shù)上的鋪墊，我們選用了艾默生TD3000系列變頻器和西門(mén)子S7-315-2DP可編程控制器，通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線組成整個(gè)的控制系統(tǒng)。可編程控制器(PLC)通過(guò)Profibus總線實(shí)時(shí)采集負(fù)荷數(shù)據(jù)，完成對(duì)各傳動(dòng)點(diǎn)速度控制和轉(zhuǎn)矩控制的在線疊加，以實(shí)現(xiàn)各傳動(dòng)點(diǎn)的自動(dòng)負(fù)荷均衡，每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)設(shè)有微調(diào)按鈕，必要時(shí)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整（通過(guò)程序限制手動(dòng)微調(diào)的調(diào)節(jié)范圍），同時(shí)通過(guò)通訊方式讀取變頻器的輸入端子狀態(tài)，即將變頻器的控制端子作為PLC的DI端子，從而減少了PLC的數(shù)字量輸入模塊數(shù)量。TD3000系列變頻器的調(diào)速范圍是1：1000，完全能滿足控制精度的要求，并且其在10~300rpm時(shí)低于10％的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及電機(jī)預(yù)勵(lì)磁功能，使啟動(dòng)運(yùn)行平滑、無(wú)沖擊和抖動(dòng)，從而能更好的承受一定的負(fù)荷變化。適配器選擇艾默生專為其變頻器應(yīng)用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線而生產(chǎn)的TDS-PA01，它屬于Profibus智能從站，能響應(yīng)主機(jī)的查詢，并執(zhí)行主機(jī)下發(fā)的控制命令。
3、系統(tǒng)組成
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。


圖1