摘要：文章就應(yīng)用臺(tái)達(dá)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：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(dòng)控制系統(tǒng)為應(yīng)用臺(tái)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(dòng)控制系統(tǒng)是基于S7-300PLC三級(jí)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(dòng)點(diǎn)參數(shù)（30個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)，總傳動(dòng)功率為538.5KW）見表1： 表1 造紙機(jī)得主傳動(dòng)點(diǎn)參數(shù)
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。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖該紙機(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(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)，變頻器采用臺(tái)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(jí)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(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。
圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖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。 變頻器選用臺(tái)達(dá)公司的VFD-B系列高功能，向量型變頻器，臺(tái)達(dá)B系列新一代高功能無感測(cè)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(dòng)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(cè)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(dòng)偵測(cè)(autotunning)功能；擺頻功能；飛速啟動(dòng),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(dòng)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(dòng)作模式設(shè)定；簡(jiǎn)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(dòng)電4為例） 總之，臺(tái)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(dòng)性能的需要。該紙機(jī)由30個(gè)傳動(dòng)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(tái)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(dòng)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(hào)后作為停止指示，運(yùn)行指示通過啟動(dòng)繼電器觸點(diǎn)帶指示燈完成，因?yàn)樵旒埇F(xiàn)場(chǎng)控制柜操作臺(tái)分別在現(xiàn)場(chǎng)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(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
圖4 主程序流程圖編號(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。 M= 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(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。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(dòng)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(tái)達(dá)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 of paper machine based on Delta inverterChen jingwen (Shaanxi university of science & technology shaanxi xian 710021)Abstract：This paper describe the load distribute 、speed chain、system network configuration of electric drive control system about paper machine based on delta inverter. This kind of based on the S7-300PLC digital three class control systems suitable the high speed paper machine high speed、high reliability control performance Keywords: paper machine; inverter; system design 參考文獻(xiàn):[1] SIEMENS STEP7 V5.4 編程手冊(cè) 西門子股份有限公司 2008[2]臺(tái)達(dá)VFD-B系列應(yīng)用手冊(cè) 中達(dá)電通股份有限公司 2008 作者簡(jiǎn)介：陳景文 男 (1978-) 內(nèi)蒙古 碩士，講師， 研究方向 交直流電氣傳動(dòng)的控制理論與應(yīng)用聯(lián)系方式：陜西省西安市未央?yún)^(qū)陜西科技大學(xué)電信學(xué)院 郵編：710021電 話：15991663575Email：chenjw@sust.edu.cn