基于AB變頻器的造紙機電氣控制系統的設計

摘要 文章就應用AB powerflex4變頻器的造紙機電氣傳動控制系統中的負荷分配、速度鏈、系統網絡組態及通訊等內容進行了較為詳細地描述。這種基于S7-300PLC的三級控制的全數字控制系統適用高速紙機的高速度、高可靠性控制性能的需要。
關鍵詞 紙機 速度鏈 負荷分配
引言 本文所設計的紙傳動控制系統為應用美國AB變頻器和西門子PLC所組成的控制網絡來完成造紙機電氣控制系統設計的；其電氣傳動控制系統是基于S7-300 PLC三級控制的交流變頻調速控制系統。
1 紙機對電氣傳動控制系統的要求
該造紙機的系統結構總圖如圖1所示。


該紙機正常運行對電氣傳動控制系統的要求基本有以下幾點。
1.1紙機傳動系統要有一定的穩速精度和快速動態響應。其中穩態精度±0.02-- 0.01%，動態精度0.1%-- 0.05%;
1.2工作速度要有較寬、均勻的調節范圍，適應生產不同品種、定量的需要。調節范圍為I=1：10之間；
1.3各傳動分部間速比穩定、可調。為了使紙機可以生產良好的紙頁和提高紙機正常工作時間，紙機各分部的速度必須是穩定、可調的。各分部的調速范圍為±8～10%；
1.4 爬行速度。為方便檢查、清洗聚酯網、壓榨毛毯、以及檢查各分部的運行情況，各分部應具有15～30米/分可調的爬行速度。但這樣低速運轉時間不宜過長，以減少無效的運行和機械磨損；
1.5 具有剛性或柔性連接的傳動分部間，在維持速度鏈關系基礎上，還須具有負荷動態調整的功能，以免造成由于負荷動態轉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、運行、故障信號等。相關聯的分部具有單動、聯動功能；
1.7 紙機傳動控制系統，應具有良好接口能力，可與QCS控制、蒸汽控制等子系統上聯上位工控機及工廠管理級計算機；
2 紙機控制系統結構
我們的選型原則是：優化設計，程序通用化，界面美觀化，使整個控制系統穩定性好、可靠性高、魯棒性強。
紙機控制系統結構圖如圖2所示。該控制系統采用交流變頻分部傳動控制，三級控制方式。第一級為驅動級，變頻器采用AB公司系列變頻器，由閉環控制編碼器反饋板，組成閉環控制系統。第二級為PLC控制系統，采用西門子S7-300 PLC ， S7-300與變頻器組成Modbus總線控制網絡，通訊速率可達19.2Kbit/s，并完成自動卷取及輔助部分的機電一體化功能;第三級為上位控制系統，采用DELL公司工控機,用于紙機傳動系統狀態監控，實現整個紙機自動控制。并可通過工業以太網與QCS系統、DCS系統、廠級管理級等聯網，可實現紙機控制系統優化控制。


3 紙機電氣傳動控制系統的設計
3.1 系統硬件選型
硬件選擇依據系統的控制精度、通訊速度、響應時間、高性價比、高可靠性的原則，選用SIEMENS S7 314PLC、CP340通信處理器，作為系統主控單元，控制整個系統。上位機選用采用DELL工控機,配置為“PIV2.0G/21”，用于紙機傳動系統狀態監控。
變頻器選用Allen-Bradley公司的powerflex系列高性能矢量變頻器，它設計緊湊，節省空間，給用戶提供強大的電機速度控制功能，最大起動轉矩可達150%的電機額定轉矩；可變的PWM允許變頻器在低頻下輸出更大的電流，數字PID功能提高了應用的靈活性，計時器、計數器、基本邏輯和步序邏輯功能可以減少硬件設計成本并簡化控制方案，總之，powerflex系列高性能矢量變頻器的精巧設計可較理想地滿足該機的高傳動性能的需要。該紙機的電氣控制原理圖如圖3所示。


3.2 系統的軟件設計與功能實現
程序模塊化結構設計，各種功能以子程序結構適時調用實現；程序采用循環掃描方式對速度鏈上的傳動點進行處理，提高程序執行效率；程序設計通用性強，并具有必要的保護功能和一定的智能性。主程序的流程如圖4示。


3.2.1速度鏈設計
(1) 速度鏈結構設計。速度鏈結構采用二叉樹數據結構算法，先對各傳動點進行數學抽象，確定速度鏈中各傳動點編號，此編號應與變頻器設定的地址一致。即任一傳動點由3個數據（“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的數值。由此可構成滿足該機正常工作需要的速度鏈結構。
(2) 算法設計。速度鏈的設計采用了調節變比的控制方法實現速度鏈功能,把壓榨作為速度鏈中的主節點，該點速度即紙機的工作車速，調節其速度即調節整機車速。其它各分部點的速度由該點車速乘以相應的變比得到。由PLC檢測其它分部車速調節信號，通過操作該部增、減按紐的操作改變其速比，則改變相應分部的車速。
3.2.2 負荷分配設計
該紙機傳動結構上有柔性聯結的傳動點，烘缸部和壓榨部。它們之間不僅要求速度同步還需要負載率均衡，否則會造成一個傳動點由于過載而過流，而另一傳動點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、機械設備。因此這兩個傳動部分的傳動點之間需要負荷分配自動控制。
負荷分配工作原理：假設P1e、P2e為兩臺電機額定功率，Pe為額定總負載功率，Pe= P1e+P2e 。P為實際總負載功率，P1、P2為電機實際負載功率，則P= P1+ P2。系統工作要求 P1=P*P1e/Pe ，P2=P*P2e/Pe，兩個值相差≤3%。
由于電機功率是一間控制接量。實際控制以電機定子轉矩代替電機功率進行計算。
PLC采樣各分部電機的轉矩，計算每一組的總負荷轉矩，根據總負荷轉矩計算負載平衡時的期望轉矩值。計算平均負荷轉矩方法如下公式所示。


其中： ML1 、ML2 是壓榨、烘缸電機實際輸出轉矩；
Pe1 、Pe2 是壓榨、烘缸臺電機額定功率；
M 為負荷平均期望轉矩
PLC通過Modbus總線得到電機轉矩，利用上述原理再施以PID算法，調節變頻器的輸出，使兩電機轉矩百分比一致。即完成負荷自動分配的目標。
設置最大限幅值，如果負荷偏差超過該設定值，要停機處理，以防機械、電氣損害發生。負荷分配控制實現的前提是合理的速度鏈結構，使負荷分配的傳動點組處于子鏈結構上，該部負荷調整時，不影響其它的傳動點，因此速度鏈結構是采用主鏈與子鏈相結合的形式。
3.3 系統網絡組態與通訊
本系統通過STRP7軟件實現網絡組態，用STEP7創建一個項目，先選擇PLC的類型，并添加MPI總線、操作屏、工控機、并為變頻器分配網絡地址。
在該系統中上位機、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，主要完成各站點的數據讀寫、系統配置、故障診斷等。操作屏用SIEMENS的ProTool軟件設計上位機采用SIEMENS的WINCC軟件設計，實現上位機對整機系統的實時監控。
上位機與PLC之間通用MPI電纜通訊。Modbus網絡采用RS485傳輸技術，使用專用屏蔽雙絞線。PLC與操作屏間是通過數據影像實現實時通訊。主站與從站間采用循環查詢方式，完成對變頻器的讀寫操作。
3.4輔助控制的機、電、液一體化設計
輔助部分的機、電、液一體化、連鎖及保護、卷紙機自動換卷控制、稀油站潤滑系統等輔助電氣系統協調工作，以保證系統正常運行和設備安全。
5 結 語
該紙機在山東一造紙廠經近一年多的實際紙機運行驗證，系統的穩速精度、動態響應、負荷分配效果、紙頁質量、系統穩定性、可靠性等指標都得到了用戶的肯定。這種基于AB變頻器和S7-300PLC的紙機傳動控制系統是可行的、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:
[1] SIEMENS STEP7 V5.1 編程手冊 西門子股份有限公司 1998
[2] Allen-Bradley 應用手冊 Rockwell Automation 2003

作者簡介：
陳景文 男 (1978-) 內蒙古 助教 研究方向 交直流電氣傳動的控制理論與應用
聯系方式：陜西省咸陽市人民西路49號陜西科技大學電氣與電子工程學院
電 話：13892967785 0910-3348381（3348382）轉806
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