造紙機(jī)電氣控制系統(tǒng)方案

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AB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S7-300 PLC三級控制的交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。

1 、紙機(jī)對電氣傳動(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，三級控制方式。第一級為驅(qū)動(dòng)級，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)、廠級管理級等聯(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。

圖3 紙機(jī)電氣控制原理圖

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。

圖4 主程序流程圖

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，此編號應(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檢測其它分部車速調(diào)節(jié)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(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。

4 、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。