工控自動化技術文摘：基於AB變頻器的造紙機電氣控製係統的設計

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基於AB變頻器的造紙機電氣控製係統的設計
羅克韋爾自動化（中國）有限公司

陳景文王紅豔
（陝西科技大學鹹陽712081）
摘要文章就應用AB powerflex4變頻器的造紙機電氣傳動控製係統中的負荷分配、速度鏈、係統網絡組態及通訊等內容進行了較為詳細地描述。這種基於S7-300PLC的三級控製的全數字控製係統適用高速紙機的高速度、高可靠性控製性能的需要。
關鍵詞紙機速度鏈負荷分配
引言本文所設計的紙傳動控製係統為應用美國AB變頻器和西門子PLC所組成的控製網絡來完成造紙機電氣控製係統設計的；其電氣傳動控製係統是基於S7-300 PLC三級控製的交流變頻調速控製係統。
1 紙機對電氣傳動控製係統的要求
該造紙機的係統結構總圖如圖1所示。

該紙機正常運行對電氣傳動控製係統的要求基本有以下幾點。
1.1紙機傳動係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、均勻的調節範圍，適應生產不同品種、定量的需要。調節範圍為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。各分部的調速範圍為±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(ju)有(you)剛(gang)性(xing)或(huo)柔(rou)性(xing)連(lian)接(jie)的(de)傳(chuan)動(dong)分(fen)部(bu)間(jian)，在(zai)維(wei)持(chi)速(su)度(du)鏈(lian)關(guan)係(xi)基(ji)礎(chu)上(shang)，還(hai)須(xu)具(ju)有(you)負(fu)荷(he)動(dong)態(tai)調(tiao)整(zheng)的(de)功(gong)能(neng)，以(yi)免(mian)造(zao)成(cheng)由(you)於(yu)負(fu)荷(he)動(dong)態(tai)轉(zhuan)移(yi)而(er)引(yin)起(qi)有(you)的(de)分(fen)部(bu)因(yin)過(guo)載(zai)而(er)過(guo)流(liu)，有(you)的(de)分(fen)部(bu)因(yin)輕(qing)載(zai)而(er)過(guo)壓(ya)；
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 紙機傳動控製係統，應具有良好接口能力，可與QCS控製、蒸汽控製等子係統上聯上位工控機及工廠管理級計算機；
2 紙機控製係統結構
我們的選型原則是：優化設計，程序通用化，界麵美觀化，使整個控製係統穩定性好、可靠性高、魯棒性強。
紙機控製係統結構圖如圖2所示。該控製係統采用交流變頻分部傳動控製，三級控製方式。第一級為驅動級，變頻器采用AB公司係列變頻器，由閉環控製編碼器反饋板，組成閉環控製係統。第二級為PLC控製係統，采用西門子S7-300 PLC ， S7-300與變頻器組成Modbus總線控製網絡，通訊速率可達19.2Kbit/s，並完成自動卷取及輔助部分的機電一體化功能;第三級為上位控製係統，采用DELL公司工控機,用於紙機傳動係統狀態監控，實現整個紙機自動控製。並可通過工業以太網與QCS係統、DCS係統、廠級管理級等聯網，可實現紙機控製係統優化控製。

3 紙機電氣傳動控製係統的設計
3.1 係統硬件選型
硬件選擇依據係統的控製精度、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，作為係統主控單元，控製整個係統。上位機選用采用DELL工控機,配置為“PIV2.0G/21”，用於紙機傳動係統狀態監控。
變頻器選用Allen-Bradley公司的powerflex係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製功能，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並簡化控製方案，總之，powerflex係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。該紙機的電氣控製原理圖如圖3所示。

3.2 係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，並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su度du鏈lian結jie構gou設she計ji。速su度du鏈lian結jie構gou采cai用yong二er叉cha樹shu數shu據ju結jie構gou算suan法fa，先xian對dui各ge傳chuan動dong點dian進jin行xing數shu學xue抽chou象xiang，確que定ding速su度du鏈lian中zhong各ge傳chuan動dong點dian編bian號hao，此ci編bian號hao應ying與yu變bian頻pin器qi設she定ding的de地di址zhi一yi致zhi。即ji任ren一yi傳chuan動dong點dian由you3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製方法實現速度鏈功能,把ba壓ya榨zha作zuo為wei速su度du鏈lian中zhong的de主zhu節jie點dian，該gai點dian速su度du即ji紙zhi機ji的de工gong作zuo車che速su，調tiao節jie其qi速su度du即ji調tiao節jie整zheng機ji車che速su。其qi它ta各ge分fen部bu點dian的de速su度du由you該gai點dian車che速su乘cheng以yi相xiang應ying的de變bian比bi得de到dao。由youPLC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(gai)紙(zhi)機(ji)傳(chuan)動(dong)結(jie)構(gou)上(shang)有(you)柔(rou)性(xing)聯(lian)結(jie)的(de)傳(chuan)動(dong)點(dian)，烘(hong)缸(gang)部(bu)和(he)壓(ya)榨(zha)部(bu)。它(ta)們(men)之(zhi)間(jian)不(bu)僅(jin)要(yao)求(qiu)速(su)度(du)同(tong)步(bu)還(hai)需(xu)要(yao)負(fu)載(zai)率(lv)均(jun)衡(heng)，否(fou)則(ze)會(hui)造(zao)成(cheng)一(yi)個(ge)傳(chuan)動(dong)點(dian)由(you)於(yu)過(guo)載(zai)而(er)過(guo)流(liu)，而(er)另(ling)一(yi)傳(chuan)動(dong)點(dian)則(ze)由(you)於(yu)被(bei)帶(dai)動(dong)而(er)過(guo)壓(ya)，影(ying)響(xiang)正(zheng)常(chang)抄(chao)紙(zhi)，甚(shen)至(zhi)可(ke)能(neng)撕(si)壞(huai)毛(mao)布(bu)，損(sun)壞(huai)變(bian)頻(pin)器(qi)、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製。
負荷分配工作原理：假設P1e、P2e為兩台電機額定功率，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。係統工作要求 P1=P*P1e/Pe ，P2=P*P2e/Pe，兩個值相差≤3%。
由於電機功率是一間控製接量。實際控製以電機定子轉矩代替電機功率進行計算。
PLC采cai樣yang各ge分fen部bu電dian機ji的de轉zhuan矩ju，計ji算suan每mei一yi組zu的de總zong負fu荷he轉zhuan矩ju，根gen據ju總zong負fu荷he轉zhuan矩ju計ji算suan負fu載zai平ping衡heng時shi的de期qi望wang轉zhuan矩ju值zhi。計ji算suan平ping均jun負fu荷he轉zhuan矩ju方fang法fa如ru下xia公gong式shi所suo示shi。

其中： ML1 、ML2 是壓榨、烘缸電機實際輸出轉矩；
Pe1 、Pe2 是壓榨、烘缸台電機額定功率；
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(dian)氣(qi)損(sun)害(hai)發(fa)生(sheng)。負(fu)荷(he)分(fen)配(pei)控(kong)製(zhi)實(shi)現(xian)的(de)前(qian)提(ti)是(shi)合(he)理(li)的(de)速(su)度(du)鏈(lian)結(jie)構(gou)，使(shi)負(fu)荷(he)分(fen)配(pei)的(de)傳(chuan)動(dong)點(dian)組(zu)處(chu)於(yu)子(zi)鏈(lian)結(jie)構(gou)上(shang)，該(gai)部(bu)負(fu)荷(he)調(tiao)整(zheng)時(shi)，不(bu)影(ying)響(xiang)其(qi)它(ta)的(de)傳(chuan)動(dong)點(dian)，因(yin)此(ci)速(su)度(du)鏈(lian)結(jie)構(gou)是(shi)采(cai)用(yong)主(zhu)鏈(lian)與(yu)子(zi)鏈(lian)相(xiang)結(jie)合(he)的(de)形(xing)式(shi)。
3.3 係統網絡組態與通訊
本係統通過STRP7軟件實現網絡組態，用STEP7創建一個項目，先選擇PLC的類型，並添加MPI總線、操作屏、工控機、並為變頻器分配網絡地址。
在該係統中上位機、PLC屬於第一類主站（DPM1），主要完成總線通信控製和管理。操作屏屬於第二類主站，主要完成各站點的數據讀寫、係統配置、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，實現上位機對整機係統的實時監控。
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輔助控製的機、電、液一體化設計
輔助部分的機、電、液一體化、連鎖及保護、卷紙機自動換卷控製、稀油站潤滑係統等輔助電氣係統協調工作，以保證係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，係統的穩速精度、動態響應、負荷分配效果、紙頁質量、係統穩定性、可靠性等指標都得到了用戶的肯定。這種基於AB變頻器和S7-300PLC的紙機傳動控製係統是可行的、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製理論與應用
聯係方式：陝西省鹹陽市人民西路49號陝西科技大學電氣與電子工程學院
電話：（3348382）轉806
Email：chenjw@sust.edu.cn

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