造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)

本文是我公司采用森蘭SB80系列變頻器和西門子S7-200 PLC組成一套文化紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)。通過(guò)可編程邏輯控制器（PLC）和變頻器之間的通信，控制傳動(dòng)點(diǎn)的啟動(dòng)、停止、增速、減速、緊紙等操作，由軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配、速度鏈等功能，充分滿足造紙工藝及電控的需要。
1 紙機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求 
1．1  該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1示。紙機(jī)為1760/250 m/min長(zhǎng)網(wǎng)多缸文化紙機(jī)，生產(chǎn)40~65g/m2高級(jí)文化用紙，穩(wěn)態(tài)精度≤0.01%。
 
圖1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1.2為了能生產(chǎn)出質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)較高的產(chǎn)品，紙機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)提出如下的要求：
（1）  紙機(jī)工作速度要有較大的調(diào)節(jié)范圍，為了使造紙機(jī)具有較強(qiáng)的產(chǎn)品、原料的適應(yīng)性（如打漿度、漿料配比與種類、定量、紙種等），紙機(jī)傳動(dòng)可在較大的范圍內(nèi)均勻的調(diào)節(jié)速度，調(diào)節(jié)范圍為1:8；
（2）  車速要有較高的穩(wěn)定裕度，總車速提升、下降要平穩(wěn)。為了穩(wěn)定紙頁(yè)的定量和和質(zhì)量、減少紙幅斷頭，要求紙機(jī)穩(wěn)速精度為±0.05～0.01%；
（3）  速差控制，速比可調(diào)、穩(wěn)定。紙幅在網(wǎng)部和壓榨部時(shí)，其縱向伸長(zhǎng)橫向收縮，而在烘干部時(shí)，兩向都收縮，因此紙機(jī)各分部的線速度稍有差異，即速差。速差在一定范圍內(nèi)變化不引起紙頁(yè)質(zhì)量的突變。此時(shí)的速差對(duì)成紙來(lái)說(shuō)，主要影響紙頁(yè)的克重。誤差應(yīng)控制在0.1%以內(nèi)保持紙張不被拉斷。紙機(jī)各分部的速比的最大波動(dòng)值與漿料配比、定量、車速、生產(chǎn)工藝、紙頁(yè)收縮率及分部之間的紙幅無(wú)承托引段的張力等因素有關(guān)。因此，造紙機(jī)各相鄰分部間應(yīng)有適當(dāng)?shù)乃俨顏?lái)形成良好的紙頁(yè)。紙機(jī)各分部的速度必須是可以調(diào)節(jié)的，為±10~15%。利于工作時(shí)調(diào)整。為了生產(chǎn)較高質(zhì)量的紙幅和減少斷頭率，還要保持各分部間速比的穩(wěn)定；
（4）  各分部點(diǎn)具有速度微升、微降功能，引紙操作時(shí)的緊紙、松紙功能。具有剛性聯(lián)結(jié)或軟聯(lián)結(jié)的傳動(dòng)分部，如網(wǎng)部、壓榨部、施膠部，能進(jìn)行負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。防止某點(diǎn)的速度發(fā)生變化而引起負(fù)荷在分部?jī)?nèi)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移，如不及時(shí)進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)節(jié)（因?yàn)楝F(xiàn)在使用的變頻器基本上都不具備長(zhǎng)期四象限運(yùn)行能力），有的傳動(dòng)點(diǎn)負(fù)載可能超過(guò)它自身的功率范圍引起過(guò)流發(fā)生，有的傳動(dòng)點(diǎn)被拖動(dòng)而引起過(guò)高的泵升電壓，導(dǎo)致變頻器過(guò)壓而保護(hù)跳閘，甚至損壞變頻器和損壞毛布。同時(shí)在這些分部中，應(yīng)具有單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)功能，并可以同時(shí)起動(dòng)、停止。必要的顯示功能，如線速度、電流或轉(zhuǎn)矩、運(yùn)行信號(hào)、故障信號(hào)等；
（5） 爬行速度。 為了檢修和清洗聚酯網(wǎng)、壓榨毛毯、干網(wǎng)以及各分部的運(yùn)行工況，各分部應(yīng)有15～50m/min可調(diào)的爬行速度，但不宜在此速度下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行；
（6）  紙機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載性質(zhì)，要選擇具有恒轉(zhuǎn)矩控制性能的變頻器，并具有較高的分辨率，良好的通訊能力，并采用PLC作為控制單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠、協(xié)調(diào)的控制，以滿足紙機(jī)控制系通正常工作的需要。
 2 控制系統(tǒng)組成
系統(tǒng)原理圖如圖2所示 。該紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用由S7-226小型PLC作為系統(tǒng)的控制中心；由功能較強(qiáng)大的森蘭SB80系列變頻器為驅(qū)動(dòng)單元，頻率分辨率為0.01Hz以上；變頻專用電機(jī)作為執(zhí)行單元；歐姆龍編碼器提供速度反饋信號(hào)，使紙機(jī)傳動(dòng)在速度閉環(huán)運(yùn)行模式下，從而使控制系統(tǒng)穩(wěn)速精度達(dá)到0.01%。由PLC通過(guò)西門子MODUBUS協(xié)議、RS485網(wǎng)絡(luò)與變頻器實(shí)現(xiàn)速度鏈功能、速差控制、負(fù)荷分配功能、總車速升、降、各分部點(diǎn)的速度升、降及緊紙、松紙等功能，較理想地滿足紙機(jī)正常工作的需求。

                                圖2系統(tǒng)原理圖
森蘭SB80系列變頻器采用TI推出的32位150MIPS的高速電機(jī)控制專用DSP和自主開發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)軟件操作系統(tǒng)；電機(jī)控制理論的先進(jìn)性——轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向和精確磁通觀測(cè)器的閉環(huán)電流矢量控制；整機(jī)設(shè)計(jì)的先進(jìn)性——高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高過(guò)載能力、高速電流限制等。森蘭SB80能滿足各種苛刻工況下的電機(jī)控制，廣泛應(yīng)用于恒轉(zhuǎn)矩控制、位置控制、張力和卷繞控制、紡織應(yīng)用等領(lǐng)域。
3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于以下原則：1  程序模塊化結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，其中負(fù)荷分配、速度增減、初始化、緊紙、速比計(jì)算、校驗(yàn)、數(shù)據(jù)發(fā)送、接收等作為子程序調(diào)用;2  程序采用循環(huán)掃描的方式對(duì)傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行處理，簡(jiǎn)化程序，提高程序執(zhí)行效率;3  采用中斷子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收;確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確快速的傳輸;4 必要的軟件保護(hù)措施，以免造成重大機(jī)械損害。
因此該程序通用性強(qiáng)，可移植性好，使用不同的變頻器，只須進(jìn)行相應(yīng)協(xié)議的格式的定義。即數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、校驗(yàn)程序的相應(yīng)修改即可，滿足紙機(jī)運(yùn)行的需要。主程序流程圖如圖3所示

                      圖3主程序流程圖
3.1 速度鏈設(shè)計(jì)及速差控制   
速度鏈結(jié)構(gòu)采用二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，完成數(shù)據(jù)傳遞功能。首先對(duì)各傳動(dòng)點(diǎn)位置進(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)與變頻器內(nèi)部地址一致。然后根據(jù)二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確定各結(jié)點(diǎn)的上下、左或右編號(hào)。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，填入位置寄存器數(shù)值。如圖4所示。
 
圖4 位置寄存器示意圖
    該傳動(dòng)點(diǎn)速度給變頻器后，訪問(wèn)位置寄存器，確定子寄存器結(jié)點(diǎn)號(hào)，若不為0，則對(duì)該經(jīng)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)處理，直到該鏈完全處理完；再查兄弟寄存器結(jié)點(diǎn)號(hào)，處理另一支鏈。所以只須對(duì)位置寄存器初始化，即可構(gòu)成具有任意分支結(jié)構(gòu)的速度鏈。
算法設(shè)計(jì)采用了調(diào)節(jié)變比的控制方法。如圖五所示，紙機(jī)二壓點(diǎn)作為速度鏈中的主節(jié)點(diǎn)，它的速度就是整個(gè)紙機(jī)的工作車速。在 PLC內(nèi)，我們通過(guò)通信檢測(cè)到車速調(diào)節(jié)信號(hào)則改變車速單元值，同時(shí)送給驅(qū)網(wǎng)、吸移、真壓、一壓分部，其速度值乘以相應(yīng)的速比，即是該傳動(dòng)點(diǎn)的速度運(yùn)行值。若某一分部速度不滿足運(yùn)行要求，說(shuō)明該分部變比不合適，可通過(guò)操作該分部的加速、減速按鈕實(shí)現(xiàn)，PLC檢測(cè)到按鈕信號(hào)后調(diào)整了變比，使其適應(yīng)傳動(dòng)點(diǎn)間的速差控制要求。相當(dāng)于在PLC內(nèi)部有一個(gè)高精度的齒輪變速箱，可以任意無(wú)級(jí)調(diào)速。
若正常生產(chǎn)中變比合適，需要緊紙、松紙操作時(shí)，按下該分部緊紙、松紙按鈕，PLC將對(duì)應(yīng)在速度鏈上附加一正或負(fù)的偏移量則實(shí)現(xiàn)緊紙、松紙功能。同時(shí)送下一級(jí)計(jì)算，依此類推，構(gòu)成速度鏈及速差控制系統(tǒng)。前一級(jí)車速調(diào)整，后面跟隨調(diào)整，后級(jí)調(diào)整不影響前級(jí),適應(yīng)紙機(jī)操作引紙的順序要求。
速度鏈的傳遞關(guān)系由圖5來(lái)體現(xiàn)，由PLC軟件實(shí)現(xiàn)。
 
圖5  紙機(jī)速度鏈結(jié)構(gòu)圖                                                  
3.2 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(guò)載而過(guò)流，而另一傳動(dòng)點(diǎn)則由于被帶動(dòng)而過(guò)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(guò)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(guò)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。
4變頻器部分主要參數(shù)設(shè)置
  變頻器主要參數(shù)設(shè)置如下表所示，本表適合各系列森蘭變頻器，所以未列出代碼，實(shí)際只需找到相應(yīng)功能設(shè)置好即可：

  對(duì)表中部分參數(shù)注釋如下：加減速時(shí)間，在造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中，由于傳動(dòng)點(diǎn)數(shù)目較多，即變頻器數(shù)量較多，所以負(fù)載不近相同。這就要求加減速時(shí)間設(shè)定不同，對(duì)烘缸類大慣性負(fù)載加減速時(shí)間要長(zhǎng)一些，否則會(huì)導(dǎo)致變頻器過(guò)載報(bào)警，對(duì)其他輥類負(fù)載則加減速時(shí)間可稍短一些。通訊參數(shù)中地址設(shè)定一般從一側(cè)設(shè)置至另一側(cè)，即由1至最后。本表為主要參數(shù)，還有一些其他參數(shù)需據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況作相應(yīng)改動(dòng)，本文不一一復(fù)述。
4  結(jié) 語(yǔ)
造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)既要保持一定的速度一致性，又要有一定的速差。同時(shí)具有機(jī)械相聯(lián)系的傳動(dòng)點(diǎn)又要有負(fù)荷平衡即負(fù)荷分配功能。森蘭SB80系列變頻器具有很高的可靠性和和完善的功能實(shí)現(xiàn)，通過(guò)豐富的參數(shù)組態(tài)與PLC通過(guò)MODUBUS協(xié)議通訊、協(xié)調(diào)工作可滿足中、高速造紙機(jī)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)要求大速比變化、高穩(wěn)態(tài)精度等控制性能的需要。