基于AB變頻器的造紙機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要 文章就應(yīng)用AB powerflex4變頻器的造紙機(jī)電氣傳動(dòng)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(jí)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 紙機(jī) 速度鏈 負(fù)荷分配
引言 本文所設(shè)計(jì)的紙傳動(dòng)控制系統(tǒng)為應(yīng)用美國(guó)AB變頻器和西門子PLC所組成的控制網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成造紙機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的；其電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)是基于S7-300 PLC三級(jí)控制的交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。
1 紙機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)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。


該紙機(jī)正常運(yùn)行對(duì)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求基本有以下幾點(diǎn)。
1.1紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)要有一定的穩(wěn)速精度和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。其中穩(wěn)態(tài)精度±0.02-- 0.01%，動(dòng)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(dòng)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(yè)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(zhǎng)，以減少無(wú)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(dòng)分部間，在維持速度鏈關(guān)系基礎(chǔ)上，還須具有負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)整的功能，以免造成由于負(fù)荷動(dòng)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(hào)等。相關(guān)聯(lián)的分部具有單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)功能；
1.7 紙機(jī)傳動(dòng)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(jí)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(dòng)控制，三級(jí)控制方式。第一級(jí)為驅(qū)動(dòng)級(jí)，變頻器采用AB公司系列變頻器，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(jí)為PLC控制系統(tǒng)，采用西門子S7-300 PLC ， S7-300與變頻器組成Modbus總線控制網(wǎng)絡(luò)，通訊速率可達(dá)19.2Kbit/s，并完成自動(dòng)卷取及輔助部分的機(jī)電一體化功能;第三級(jí)為上位控制系統(tǒng)，采用DELL公司工控機(jī),用于紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)整個(gè)紙機(jī)自動(dòng)控制。并可通過工業(yè)以太網(wǎng)與QCS系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、廠級(jí)管理級(jí)等聯(lián)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)紙機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化控制。


3 紙機(jī)電氣傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控。
變頻器選用Allen-Bradley公司的powerflex系列高性能矢量變頻器，它設(shè)計(jì)緊湊，節(jié)省空間，給用戶提供強(qiáng)大的電機(jī)速度控制功能，最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)150%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；可變的PWM允許變頻器在低頻下輸出更大的電流，數(shù)字PID功能提高了應(yīng)用的靈活性，計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、基本邏輯和步序邏輯功能可以減少硬件設(shè)計(jì)成本并簡(jiǎn)化控制方案，總之，powerflex系列高性能矢量變頻器的精巧設(shè)計(jì)可較理想地滿足該機(jī)的高傳動(dòng)性能的需要。該紙機(jī)的電氣控制原理圖如圖3所示。


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(duì)速度鏈上的傳動(dòng)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。


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(duì)各傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，確定速度鏈中各傳動(dòng)點(diǎn)編號(hào)，此編號(hào)應(yīng)與變頻器設(shè)定的地址一致。即任一傳動(dòng)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(cè)其它分部車速調(diào)節(jié)信號(hào)，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(dòng)結(jié)構(gòu)上有柔性聯(lián)結(jié)的傳動(dòng)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(huì)造成一個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)由于過載而過流，而另一傳動(dòng)點(diǎn)則由于被帶動(dòng)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(dòng)部分的傳動(dòng)點(diǎn)之間需要負(fù)荷分配自動(dòng)控制。
負(fù)荷分配工作原理：假設(shè)P1e、P2e為兩臺(tái)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。


其中： ML1 、ML2 是壓榨、烘缸電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩；
Pe1 、Pe2 是壓榨、烘缸臺(tái)電機(jī)額定功率；
M 為負(fù)荷平均期望轉(zhuǎn)矩
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(dòng)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(dòng)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(dòng)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STRP7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(duì)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。Modbus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(duì)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(dòng)換卷控制、稀油站潤(rùn)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(yǔ)
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(dòng)態(tài)響應(yīng)、負(fù)荷分配效果、紙頁(yè)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AB變頻器和S7-300PLC的紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)是可行的、合理的。

The design of electric control system about paper machine based on ab inverter
Chen jingwen Wang hongyan
(Shaanxi university of science & technology shaanxi xianyang 712081)
abstract This paper describe the load distribute 、speed chain、system network configuration of electric drive control system about paper machine based on AB powerflex4 inverter in detail .The complete digital three class system basing on Modbus adapt to high speed、high reliability control performance in high speed paper machine.
keywords paper machine speed chain load distribute

參考文獻(xiàn):
[1] SIEMENS STEP7 V5.1 編程手冊(cè) 西門子股份有限公司 1998
[2] Allen-Bradley 應(yīng)用手冊(cè) Rockwell Automation 2003

作者簡(jiǎn)介：
陳景文 男 (1978-) 內(nèi)蒙古 助教 研究方向 交直流電氣傳動(dòng)的控制理論與應(yīng)用
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