畢業(yè)設計(論文）紙機傳動系統方案選擇與程序設計

1、紙機傳動系統方案選擇與程序設計 摘 要 紙機傳動控制系統對紙機能否正常運行起著決定性的作用，對本次設計將完成紙 機傳動的方案選擇和程序設計。在方案選擇中，本文結合所選器件的可靠性、穩(wěn)定性、 市場價格等因素，使傳動控制系統與造紙機整體裝備水平相適應，以確保整個紙機系 統的高性價比和穩(wěn)定。在程序設計時，針對不同要求的紙機傳動系統和硬件設備,本課 題將試著完成一套通用 plc 程序，在使用時當變頻器發(fā)生變化，只需改變它的初始 設定值,此程序具有很強的通用性和可移植性，可以滿足不同紙機的傳動控制要求，從 而節(jié)約工程成本和提高工程可靠性的并節(jié)約了大量的設計工作。 文中介紹的紙機傳動控制系統中，plc 是

2、控制核心，它通過現場總線與變頻器構 成 dcs 控制系統，實現了整個紙機傳動過程中的加速、減速、緊紙、速度鏈等功能。 本論文對其中所用到的歐姆龍 plc、abb 變頻器作了詳細的說明，對 rs485 網絡組 建的技術要點及其在紙機傳動中的實際運用作了比較詳細闡述。 關鍵字：plc，變頻器，變頻器，rs485 options and procedures designed in the drive control system of paper machine abstract will the paper engine drive control system to the paper mac

3、hine normal operation decisive function, be completing whether the paper engine drive to this design the plan choice and the programming. in the plan choice, this article unifies chooses factors and so on component reliability, stability, market price, causes the transmission control system and the

4、paper mill whole equipment level adapts, guarantees the entire paper machine system the high performance-to-price ratio and stable. when programming, in view of different request paper engine drive system and hardware equipment,this topic will try to complete a set of general plc procedure, when use

5、 when the frequency changer will change, will only have to change its initial setting value,this procedure has the very strong versatility and the probability, may satisfy the different paper machine transmission control request, thus saved the project cost and enhances engineering reliability and s

6、aved the massive design work. in the article introduced in the paper engine drive control system, plc controls the core, it constitutes the dcs control system through the field bus and the frequency changer, has realized entire paper engine drive functions and so on in process acceleration, decelera

7、tion, tight paper, speed chain. the present paper to ohm dragon plc, the abb frequency changer which used has given the detailed explanation, transported to the rs485 network creation technical main point and in the paper engine drive reality has served as the quite detailed elaboration. keywords: p

8、rogrammable logic controller，inverter，speed chain，rs485 目 錄 摘 要 .i abstract.ii 1 緒論.1 1.1 紙機變頻控制系統的發(fā)展概況.1 1.2 plc 技術的發(fā)展概況和趨勢.2 1.3 課題設計內容及意義.3 2 紙機傳動控制系統與原理.4 2.1 典型造紙機傳動系統結構及工藝流程.4 2.2 紙機傳動工藝控制主要特點.4 2.3 紙機控制系統結構.6 2.4 系統工作原理.8 2.4.1 速度鏈控制.8 2.4.2 負荷分配控制.10 2.4.3 張力控制.11 2.4.4 加壓順序控制.12 2.4.5 轉移施膠涂

9、布機控制.12 2.4.6 斷紙連鎖控制.12 3 傳動控制系統的方案選擇和硬件設計.13 3.1 方案選擇的原則和注意事項.13 3.2 大型紙機傳動控制系統的方案選擇.13 3.3 中、小型紙機傳動控制系統的方案選擇和相關設計.14 3.2.1 交流變頻的選擇與參數設置.15 3.2.2 變頻的接線及說明.18 3.2.3 plc 的選擇和外圍接線.20 3.2.4 通訊系統的方案選擇.21 4 rs485 通訊控制系統的設計.23 4.1 rs485 標準.23 4.1.1 rs485 網絡結構及硬件組建.23 4.1.2 rs485 組網技術及其特點.24 4.2 rs485 通訊參數

10、設置.24 4.3 通訊協議分析.25 5 plc 程序設計.28 5.1 總程序設計.28 5.1.1 程序要求.28 5.1.2 數據區(qū)分配和子程序代碼.28 5.1.3 程序流程圖及說明.29 5.2 速度鏈的設計.30 5.2.1 速度鏈算法設計.30 5.2.2 查詢掃描子程序設計流程圖.31 5.3 通訊程序設計.36 5.3.1 通訊程序流程圖.37 5.3.2 通訊循環(huán)控制程序.37 5.3.3 信息打包子程序.38 5.3.4 通訊發(fā)送子程序.39 5.3.5 信息解包子程序.40 5.3.6 crc 子程序.41 5.4 程序的擴展性.42 致 謝.43 參 考 文 獻.4

11、4 1 緒論 隨著科學技術的快速發(fā)展，書刊、報紙、印刷量的急劇增加，加大了對紙張的需 求，因此，造紙技術的改進也就迫在眉睫。變頻器技術的推廣應用已經取得了明顯的 經濟效益，變頻器是一種集電力、電子、計算機技術等現代化技術為一體的一種典型 的高科技產品。在造紙機傳動應用的控制領域，隨著變頻技術、計算機技術以及網絡 通訊技術的廣泛應用，使造紙廠的自動化程度、控制精度、控制速度、系統的穩(wěn)定性 和可靠性提高到了一個新的水平。但是，對于不同的情況和技術要求，仍然存在著選 取不同的控制系統和編寫不同程序的問題。本課題將對目前多種典型造紙機傳動系統 的傳動工藝過程進行分析和學習，綜合紙機傳動特點，完成對紙機

12、傳動系統硬件、軟 件實現標準化設計，以滿足不同紙機的傳動控制要求，從而節(jié)約了大量的設計工作。 1.1 紙機變頻控制系統的發(fā)展概況 紙機變頻傳動技術水平是和變頻器的技術發(fā)展水平緊密相關的。按變頻器的技術 水平分，紙機傳動水平大致可以分為以下幾個階段:1）模擬開環(huán)階段：v/f 控制通用 型變頻器+模擬外部速度鏈控制是這一時期的系統主要形式。隨著變頻速度技術逐步 進入工業(yè)領域，國內真正應用的主要是開環(huán)和 v/f 曲線控制的通用型變頻器。此外， 模擬給定電位器，或外部放大器模擬速度鏈控制器是這一階段系統的主要組成形式。 2）數字式 plc 邏輯控制和電動電位器工作方式：這種方式是隨著變頻器功能的完善

13、而開發(fā)設計實現的，可以是開環(huán)工作（視變頻器的性能而定） 。其設計的依據是變頻 器的電動電位器功能而定。 隨著 dcs 計算機控制系統的推廣應用，plc 和變頻器的通訊網絡結構開始出現 并應用到變頻傳動控制中來，這種控制方式依賴于變頻器和 plc 通訊功能的完善和 實用化。以 plc 或工控機通過總線協議方式實現同步速度鏈控制的紙機傳動系統開 始成為主要形式。由于通訊功能和 plc 的引入使變頻傳動系統在自動化和可編程方 面產生了質的變化，使傳動系統不再是變頻器的簡單應用，而真正成為系統中的一個 控制和信息傳遞單元。 隨著對交流電機研究的不斷深入，交流電機的數學模型也日漸完善，在此基礎上， 一些

14、電機的變頻控制方式也相繼問世，如矢量控制，直接轉矩控制(dtc ) ,磁場定向 控制(force)等，基于這些技術，一些大公司也相繼推出了自己的變頻器，如 abb 公司的 acs600, acs800 系列，siemens 公司的 6se70 系列，rockwell 公司的 1336 系列等，由于這些產品的出現，交流傳動系統的功能指標及動靜態(tài)特性己能與直 流傳動系統相媲美。在造紙行業(yè)，目前廣泛采用的是用晶閘管等靜止變頻裝置構成變 頻電源(如變頻器)對紙機上的異步電機進行調速和功率分配，就其系統構成方式而言， 目前比較流行的主要有以下兩種： （a）交流母排，即將多個變頻器直接掛在交流母排上，通過

15、通訊的方式將各個 變頻器聯接起來。這類系統，目前主要用于中小型的低速紙機上。 （b）公共直流母排，將交流電源整流后，設一公共直流母排，在直流母排上再掛 有多個逆變器，通過逆變器來控制各個傳動電機。 紙機變頻傳動系統正在進入一個通訊網絡技術的發(fā)展時期，紙機變頻傳動系統也 正在進入以通訊網絡為結構框架的大型控制系統，并且成為車間乃至 dcs 系統的部 分或子系統，在配置結構上都采用公共直流母線式結構。雖然在硬件上國內可以和國 外相齊并論，但是，在系統的軟件及程序上，國外的發(fā)展水平遠遠超過了國內。要達 到乃至趕上國外的發(fā)展水平，需在軟件及程序設計上下工夫。另外，從工業(yè)自動化的 方向來看，紙機傳動控制

16、系統在朝著多功能化、智能化發(fā)展。 1.2 plc 技術的發(fā)展概況和趨勢 第一臺可編程控制器(以下簡稱 plc)的設計規(guī)范是美國通用汽車公司提出的。當 時的目的是要求設計一種新的控制裝置以取代繼電器盤，在保留了繼電器控制系統的 簡單易懂。操作方便、價格便宜等優(yōu)點的基礎上，同時具有現代化生產線所要求的時 間響應快、控制精度高、可靠性好、控制程序可隨工藝改變、易于與計算機接口、維 修方便等諸多高品質與功能。這一設想提出后，美國數字設備公司(dec)于 1969 年研 制成第一臺 plc，型號為 pdp-14,投入通用汽車公司的生產線控制中，取得了令人滿 意的效果，從此開創(chuàng)了 plc 的新紀元。在短時

17、間內，plc 在其他工業(yè)部門也得到應 用。到 20 世紀 70 年代初，食品、金屬和制造等工業(yè)部門相繼使用 plc 代替繼電器 控制設備，邁出其實用化階段的第一步。70 年代中期，由于大規(guī)模集成電路的出現， 使 8 位微處理器和位片處理器相繼問世，在邏輯運算功能的基礎上，增加了數值運算。 閉環(huán)控制，提高了運算速度，擴大了輸入輸出規(guī)模。在這個時期，日本、西德和法國 相繼研制出自己的 plc，我國在 1974 年也開始研制。70 年代末由于超大規(guī)模集成電 路的出現，使 plc 向大規(guī)模、高速性能方向發(fā)展，形成了多種系列化產品。進入八 九十年代后，plc 的軟硬件功能進一步得到加強，plc 已發(fā)展成

18、為一種可提供諸多功 能的成熟的控制系統，能與其他設備通信，生成報表，調度產出，可診斷自身故障及 機器故障。plc 未來的發(fā)展不僅依賴于對新產品的開發(fā)，還在于 plc 與其他工業(yè)控 制設備和工廠管理技術的綜合。無疑，plc 將在今后的工業(yè)自動化中扮演重要角色。 在未來的工業(yè)生產中，plc 技術和機器人、cad/cam 將成為實現工業(yè)生產自動化的 三大支柱。目前 plc 朝以下幾個方向發(fā)展： （a）大型網絡化:主要朝 dcs 方向發(fā)展，網絡化和強通信能力是 plc 發(fā)展的一 個主要的方面，向下與多個智能裝置相連，向上與工業(yè)計算機、以太網等相連構成 特殊的控制任務。 （b）多功能:為了適應特殊功能的

19、需要，連續(xù)推出多種智能模塊，如模擬量模輸 入輸出、回路控制、通信控制、機械運動控制、高速技術、中斷輸入等。這些智能模 塊以為處理器為基礎，其 cpu 與 plc 的 cpu 并行工作，占用主機 cpu 時間很 少，有利于提高 plc 掃描速度和完成特殊的控制任務。 （c）高可靠性、好兼容性:由于現代控制系統的可靠性和兼容性日漸受到人們的 重視，一些公司強自診斷技術、冗余技術、容錯技術廣泛應用到現有產品中，推 出了高可靠的冗余系統。 （d）編程語一言向高級語言發(fā)展:plc 的編程語言在原有梯形圖語言、順序功能 塊和指令表語言基礎上，推出了可運行與計算機 windows 環(huán)境下，界面友好的強勁 的

20、梯形圖和語句表兩種形式的編程、調試、診斷等功能。simatic 則使用 c/c+等 高級語言進行編程，體現了面向未來的種種特征。 1.3 課題設計內容及意義 本文介紹了一種紙機傳動控制系統，plc 通過通訊控制與變頻器構成 dcs 控制系 統，實現了整個紙機傳動過程中的速度鏈、負荷分配、張力控制等功能，對其中所用 到的儀器如 c200hg 型 plc、acs600 的變頻器都作了詳細的說明,并對 rs485 網絡 組建的技術要點及其在紙機傳動中的實際運用作了比較詳細地闡述。通過 plc 與變 頻器的鏈接應用，實現紙機傳動的自動控制，從而達到節(jié)約工程成本、提高工程可靠 性和控制精確度的目的。 本

21、課題通過對造紙機不同分部的傳動工藝過程分析，綜合紙機傳動特點對紙機傳 動系統硬件、軟件實現標準化設計，能夠滿足不同類型紙機的傳動控制要求，當所用 紙機的變頻器不同時，只需改變程序的初始化值。從而節(jié)約了大量的設計工作。 本程序設計體現了諸多優(yōu)點。一是對于不同的紙機只需對程序數據區(qū)重新設定， 而程序的不作變化；二是充分利用了 plc 掃描周期；三是如果所用變頻器發(fā)生變化， 只需重新編寫信息打包程序和解包程序，就可以再次使用。程序具有很強的通用性和 可移植性。 2 紙機傳動控制系統與原理 2.1 典型造紙機傳動系統結構及工藝流程 造紙工業(yè)中廣泛使用的造紙機可以看作是一種由多臺設備組成的聯動機（如圖

22、2- 1 所示） 。通?？煞譃闈癫亢透刹績纱蟛糠帧癫堪{料流送設備、網部和壓榨部； 干部包括干燥部、壓光機和卷紙機。 圖 2-1 造紙機傳動系統簡圖 經過配漿、施膠、加填和凈化以后，具有適于抄紙的性能的漿料，在 0.31.3 的濃度下進入造紙機的漿料流送設備。在這里，紙料經過漿流分布器和流漿箱對漿流 的分布和勻整以后，均勻而穩(wěn)定地流送到運動著的成形網的網面上。漿流在網案的胸 輥中心線附近上網以后，逐漸地過濾、脫水，形成連續(xù)的濕的紙幅。網案上通常設有 案輥、真空吸水箱、伏輥等成形-脫水元件。當濕紙幅脫水到一定干度(通常是 20%左 右)，便可以從網面剝離，送至壓榨部繼續(xù)脫水。 造紙機的壓榨部

23、是由若干組輥式壓榨組成。濕紙幅是由壓榨毛毯支托著，在壓輥 間用機械擠壓的方法脫水的。為了保持壓榨毛毯的良好脫水性能，壓榨上輥配設有毛 毯洗滌裝置。經壓榨部后，濕紙幅的干度一般可達 40%左右。 濕紙幅在紙機上進一步脫水，通常是用加熱蒸發(fā)干燥的方法。造紙機的干燥部通 常是 由許多用蒸汽從內部加熱的烘缸組成。烘缸上包覆著干毯(或帆布、干網)，目 的是將紙幅緊壓到缸面上，提高傳熱效率和增進紙幅的表面質量。 干燥后，通常使用由 68 輥組成的壓光機來提高紙幅表面質量。最后用卷紙機 卷成紙筒，供整飾工段進一步加工使用。 2.2 紙機傳動工藝控制主要特點 （1）網部 底網驅網輥、真空伏輥和底網第二驅網輥負

24、荷分配自動控制 芯網驅網輥、芯網復合輥和芯網第二驅網輥負荷分配自動控制 面網復合輥、面網驅網輥負荷分配自動控制 襯網驅網輥、襯網復合輥負荷分配自動控制 頂網驅網輥與芯網的速差控制 底網、芯網、襯網、面網的速差控制與速差保護等自動控制 （2）榨部 真吸移輥、真空壓榨輥的負荷分配自動控制 真吸移輥、靴型壓榨的負荷分配自動控制 光壓上輥、光壓下輥的負荷分配自動控制 （3）烘干部 各組烘缸的速度同步自動控制 各組烘缸主傳動與輔助傳動的速度同步自動控制與負荷平衡控制 引紙輥與烘缸之間的速度同步控制 前烘干部與轉移施膠機之間的直接（或間接）張力自動控制 后烘干部與可控中高壓光機之間的直接（或間接）張力自動

25、控制 （4）轉移施膠機 施膠機在分輥時的速差自動控制 施膠機在合輥加壓后的負荷分配自動控制 轉移輥、計量輥的速差控制功能 引紙輥、弧形輥的速度同步控制 施膠機張力控制 （5）可控中高壓光機 壓光機兩輥之間的速差控制與負荷分配控制 壓光機張力控制 （6）涂布機控制 涂布機各傳動點的速度同步控制 涂布機各傳動點的直接轉矩控制,在操作臺上能夠直接設定電機轉矩，并能夠控制 電機轉矩，使其工作在設定值 涂布區(qū)負荷分配：統一協調分析各涂布區(qū)的負荷狀況，根據張力傳感器的檢測值， 計算并依據整體涂布區(qū)工藝設定負荷分配，調節(jié)電機輸出轉矩，進行恒張力自動調節(jié) （7）卷紙機 卷紙機的直接（或間接）張力自動控制 卷紙

26、機的自動計長控制 （8）其它控制 引紙繩為速度跟隨控制，出現斷紙時自動重新啟動，正常抄紙時停止 2.3 紙機控制系統結構 根據以上的工藝流程，一般紙紙控制系統采用交流變頻傳動控制，系統控制結構 圖如圖 2-2 所示。系統為三級控制方式。 變頻器控制級為傳動系統的第一級，配有閉環(huán)控制編碼器反饋板，組成閉環(huán)控制 系統。變頻器上有 modbus 通訊接口，與 plc 組成 modbus 現場總線控制網絡。 圖 2-2紙機控制系統結構圖 plc 控制系統為傳動系統的第二級，plc 上配有通訊板，能與變頻器組成現場總線控 制網絡，完成整個紙機操作控制 plc 還與上位機進行通訊，完成信號的集中顯示和 監(jiān)

27、控功能。上位優(yōu)化控制系統為傳動系統的第三級，采用工業(yè)控制計算機，用于整個 紙機傳動系統狀態(tài)監(jiān)控。上位機采用組態(tài)軟件，可以通過工業(yè)以太網與 qcs 上位機、 dcs 上位機、車間管理級、廠級管理級等聯網控制，實現紙機傳動控制系統優(yōu)化控制 和自動控制。 （1）上位計算機優(yōu)化控制系統： 造紙車間計算機優(yōu)化控制系統能夠將整個紙機車間各控制部分聯系起來，由車間 管理級計算機統一管理控制。qcs 系統、dcs 系統制漿系統、流送系統、熱泵控制 系統、和傳動控制系統上位機通過工業(yè)以太網將各自部分的工作狀況送往車間管理級 計算機，車間管理級計算機經過分析得出各部分的最佳工作參數，使各部分處于最佳 的工作狀態(tài)。

28、如車速發(fā)生了變化，則紙漿流送系統，三段通氣系統都將跟隨進行調節(jié)。 在生產過程中，根據市場的變化可能經常更換生產品種，傳動系統可以做到自動 更換。車間管理級計算機可以通過以太網與廠級管理計算機聯網，接受廠級管理計算 機管理。若需要更換品種，由其發(fā)出所需的生產品種、車速等指令，則各紙機控制部 分統一動作，調節(jié)工作狀況滿足當前生產需求，實現統一的自動化控制。 傳動部上位機對傳動部分進行優(yōu)化控制，它負責將紙機傳動部分工作狀況送往車 間管理級和其它過程控制部分，同時接受車間管理級和其它過程控制部分的指令，調 節(jié)整個傳動部使之滿足生產要求。上位機能夠記錄各種狀態(tài)下紙機傳動系統運行狀況， 能夠實時檢測顯示紙

29、機運行狀況，便于操作人員及時了解生產狀況。上位機采用動畫 技術可以模擬再現紙機實際運行狀況，使您在工作的同時有身臨其境的感受。 傳動部上位機備有通訊接口，系統軟件組態(tài)軟件具有開放性、兼容性，可以與任意其 它系統方便聯網，進行綜合控制。傳動部上位機與 plc 之間采用 rs232 通訊方式控 制，上位機的具有監(jiān)控功能。完成紙機傳動過程的優(yōu)化控制。 （2）plc 控制系統 在紙機傳動系統中，plc 為控制中心， 它通過現場總線 modbus 與變頻器構 成 dcs 控制系統，控制系統結構圖如圖 2-3 所示。plc 與上位機、變頻器實行高速 通訊。 圖 2-3 控制系統結構圖 傳動部控制中心選用的

30、 plc 上配有 modbus 接口，可與變頻器組成 modbus 控制網絡，采用現場總線實現高速通訊，完成整個紙機傳動過程中的速度鏈、負荷分 配，完成操作控制及過程數據顯示。plc 作為控制的第二級，在控制中有承上啟下的 作用，其作為控制的核心，有如下控制功能1。 plc 主要控制功能： （a）現場控制信號的采集，plc 循環(huán)掃描檢測操作臺上的按鈕、開關等信號。 （b）速度鏈的控制及計算，plc 根據工藝要求完成速度鏈的控制處理。調節(jié)前 一級速度時后一級緊隨前一級的速度變化。調節(jié)后一級的速度時前一級速度不變。 （c）速度控制的執(zhí)行。plc 接受上位機控制指令，通過上位機操作，plc 可以 根

31、據紙張生產品種自動調節(jié)車速、分部變比以適應生產需求，并通過現場總線控制各 分部變頻器的運行速度。 （d）自動負荷分配控制功能，對于負荷分配點，plc 要完成負荷分配運算及控 制。 （e）plc 與變頻器實行高速通訊，將傳動各分部點工作狀態(tài)采集到內部數據區(qū)， 并實時將信號送入上位機。 （f）斷紙報警連鎖控制及電氣一體化連鎖控制。 （g）與其它工藝過程的連鎖控制。 操作臺控制： 操作系統配有多個操作臺，分別設立在控制現場。操作臺設有速度微調增加、速 度微調減少、啟動、停止、爬行/運行等開關按鈕，設有變頻器運行狀態(tài)指示等。并設 有數字線速度顯示表顯示各分部傳動點的工作車速和電機電流?？梢詫Ω鱾鲃狱c實

32、現 全部控制功能，具體控制功能如下： 起動/停止：用于控制本分部電機的起?？刂?。 爬行/運行：用于低速調試檢修、正常抄紙切換。 單動/聯動：對于要求負荷分配各傳動點的單動/聯動控制。 速度微增： 用于本傳動點的速度微調。 速度微減： 用于本傳動點的速度微調。 緊紙： 用于本傳動點的緊紙調節(jié)。 負荷分配功能：負荷分配點自動實現分配。 監(jiān)測顯示功能有： 變頻器運行、故障等狀態(tài)顯示。 電機的電流、分部線速度顯示。 單獨設置緊急停車，按照需要安裝在紙機上，當紙機運行過程中出現意外事故， 威脅到設備安全及人身安全時才可使用。緊急停車采用按鈕控制,信號直接送入 plc 和變頻器,確保系統得可靠性。 （3）

33、變頻控制系統 變頻器一般為新一代的全數字交流變頻器，它直接實現電機的轉動控制。變頻器 可以通過設置參數來選擇不同的操作方式和各種功能，其配有編碼器反饋板，實現閉 環(huán)控制。變頻器上帶有 modbus 通訊接口，與 plc 組成 modbus 現場總線通訊控 制系統。 2.4 系統工作原理 在紙機傳動系統中，根據紙機系統本身的結構和造紙工藝流程，需要注意控制方 式的選擇和設計。 2.4.1 速度鏈控制 依據紙機傳動系統的工藝特點，速度鏈的設計采用了調節(jié)變比的控制方法實現速 度鏈功能，這樣可以構成任意分支控制速度鏈控制系統。 （1）速度鏈結構設計： 速度鏈結構采用二叉樹數據結構算法，用于完成傳遞功能

34、。首先對各傳動點進行 數字抽象，確定速度鏈中各傳動點編號，此編號應與逆變器內部地址一致。然后根據 二叉樹數據結構，確定各結點的上下、左或右編號。在此過程中，我們要按一定的順 序，保證前級（父）的編號要小于后級（子）的編號。這樣任一傳動點由 2 個數據 （其父和其子）確定其在速度鏈中的位置，填位置寄存器數值。 傳動點速度送給逆變器后，plc 訪問位置寄存器，確定子寄存器結點號，若不為 0，則對該經點進行相應處理，直到該鏈完全處理完；再查兄弟寄存器結點號，處理 另一支鏈。故只須對位置寄存器初始化，即可構成任意分支速度鏈。 （2）算法設計： 例如，如圖 2-4 所示我們把紙機第一分部點作為速度鏈中的

35、主節(jié)點，即它的給定 速度就決定整個紙機的工作車速，調節(jié)其給定速度就調節(jié)了整個紙機車速。在 plc 內，我們檢測到車速調節(jié)信號則改變車速單元值，1 點處的速度就為第一臺逆變器的 運行速度設定值，將其送第一臺逆變器執(zhí)行，并送給第二臺計算。第一分部的速度值 乘以第二分部的變比 b1/a 則為第二臺逆變器的給定值。若第二分部速度不滿足運行要 圖 2-4 速度鏈控制示意圖 求，說明第二分部變比不合適，可通過操作第二分部的加速、減速按鈕實現，plc 測 到按鈕信號后調節(jié) b1 即調整了變比，使其適應生產要求。相當于在 plc 內部有一個 高精度的齒輪變速箱，可以任意無級調速。若正常生產中變比合適，某種原因

36、需要用 緊紙、松紙時，按下該分部緊紙、松紙按鈕，plc 將對應在速度鏈上附加一正或負的 偏移量則實現緊紙、松紙功能。圖中 2 點就包含了調速和緊紙、松紙等操作指令的速 度值，將它送給第二臺逆變器執(zhí)行，同時送下一級計算。依此類推，構成速度鏈控制 n i ei liei n i p mp m 1 1 * 系統。速度鏈的分支設計采用父子算法，可以構成任意分支的速度鏈結構。 本速度鏈的設計不僅只是為實現紙機傳動控制要求，而且為后續(xù)的計算機優(yōu)化控 制提供了可能。在 plc 內部有非常精確的傳動變比，我們設計為精度為 0.001%，通 過設定參數可以做到更高。這樣有精確的傳動變比上位計算機可以精確地記憶紙

37、機傳 動過程參數，當需要更換品種或車速時，上位計算機可以準確地將紙機運行參數傳入 到 plc，由 plc 執(zhí)行，將紙機調整到當前工作狀態(tài)。 2.4.2 負荷分配控制 如圖 2-5 所示，網部、壓榨 部要求有負荷分配，它們之間要 求速度同步的同時要求負載率均 衡，否則會影響正常抄紙。當負 荷不能均勻分布時，有可能撕壞 毛布或造成斷紙，這些傳動部分 的各自傳動點之間實施負荷分配 自動控制功能。 負荷分配原理2： 在紙機、印染機或其他傳動 系統中，只是電動機速度同步并 不能滿足實際系統的工作要求， 實際系統還要求各傳動點電機負 載率相同，即 =pi/pie相同（pi 為 i 電機所承擔負載功率，pi

38、e為電機額定功率） ?，F在 以三點負荷分配為例，p1e、p2e、p3e為三臺電機額定功率，pe為額定總負載功率，pe= p1e+p2e+p3e 。p 為實際總負載功率，p1、p2、p3為電機實際負載功率，則 p=p1+p2+p3。系統工作要求 p1=p*p1e/pe ，p2=p*p2e/pe，p3=p*p3e/pe。負荷分配的目 的就是使 p1、p2、p3滿足上述要求。 在實際控制當中，電機功率是一間接量，實際控制近似以電機定子電流或轉矩代 替電機功率。 負荷分配采樣各分部電機的轉矩，這樣計算出系統總負荷轉矩，根據系統總負荷 轉矩可以計算出負載平衡時的期望值轉矩。計算平均負荷轉矩方法如下列公式

39、所示。 （2-1） 其中： mli 第 i 臺電機實際輸出轉矩； 圖2-5 負荷分配示意圖 pei 第 i 臺電機額定功率； m 為負荷平衡期望轉矩。 負荷分配控制器根據平均期望轉矩 m 和自己實際轉矩 mli比較進行調節(jié)。紙機負載隨 時波動，所以計算出的平均期望轉矩 m 也根據實際負載變化，所以這種控制算法可 以準確計算出總負荷和每臺電機應該輸出轉矩，為準確控制提供了方便。 紙機對傳動系統要求快、準、穩(wěn)，所以負荷分配控制也要求快速穩(wěn)定無震蕩。負 荷分配控制器根據平均期望轉矩 m 和自己實際轉矩 mli比較，得到偏差，應該根據偏 差信號的大小進行 pid 控制算法調節(jié)。負荷分配可以有兩種控制方

40、法，一種是通過 plc 來完成，另一種是利用變頻器內部軟件主從應用宏來實現。 通過 plc 來完成的負荷分配方法是 plc 通過通信網絡得到電機轉矩參數，利用 上述原理再配以先進的 pid 調節(jié)算法調節(jié)逆變器的輸出使電機轉矩百分比一樣，即各 電機轉矩電流和額定電流比值應相等。這樣完成負荷分配的自動控制。對于網部，由 于驅網輥和伏輥可能出現打滑現象，所以對于驅網輥和伏輥設有最大速差保護，若超 過最大速差還不能達到負荷平衡，則自動負荷分配停止，處于速度控制模式。對于壓 榨部根據紙機的壓榨部上下壓榨輥的加壓信號進行控制，當上下輥加壓后，吸移輥與 上下壓輥處于負荷分配控制模式，plc 啟動負荷分配調節(jié)

41、控制，上下輥分開時從機處 于速度控制模式，plc 停止負荷分配，維持速度同步不變。 另一種負荷分配控制方法是利用變頻器內部軟件主從應用宏來實現，主應用宏是 變頻器之間的多電機通訊控制系統。以 abb 變頻器為例，當主機處于速度控制模式、 從機處于帶速度限幅的轉矩控制模式或速度控制模式時，主機與從機之間通過 ddcs 光纖通訊，可以使從機工作在轉矩控制的模式下。在紙機負荷分配控制中可以采用轉 矩/速度可以相互切換的控制模式。在要求負荷分配時處于轉矩控制模式，在調試時 采用速度控制模式。 由于負荷分配控制點屬于共同帶同一負載，所以要求同時啟動，同時停止。但在 調試檢修過程中要能單獨起停，因此對負荷

42、分配各傳動點采用單動/聯動控制。 此外，在負荷分配控制調節(jié)過程中，要求速度恒定，不能影響后邊的傳動點，所 以我們速度鏈控制采用主鏈與子鏈相結合的方法。 2.4.3 張力控制 根據紙機工藝要求，在轉移施膠機、壓光機、涂布機加張力傳感器。張力傳感器 檢測紙頁的張力信號送入 plc 內，plc 根據張力設定值和張力傳感器的反饋值進行 調節(jié)，維持紙頁張力恒定，實現張力閉環(huán)控制。在張力傳感器前加有斷紙檢測，出現 斷紙，可以自動退出張力控制模式，自動轉為速度控制模式。待紙頁重新引上后，斷 紙信號消失，自動轉換為張力控制模式。 plc 內采用 pid 控制算法，并帶有速度限幅，防止斷紙時出現飛車現象。plc

43、 對 張力傳感器信號進行分析，可以及時報警并有效預防張力傳感器故障對生產的影響。 2.4.4 加壓順序控制 紙機的大輥徑壓榨采用 plc 控制加壓順序控制，要求這個部位為電、液一體化 控制。操作臺設計 1 個兩位開關，功能為加壓/分輥，當在加壓狀態(tài)時，先抬起棍子及 液壓站的輥閉合狀態(tài)，當接近開關信號到達時立即切換到保壓狀態(tài)，即液壓系統的預 備狀態(tài)。當主傳動運行速度同步時自動切換到加壓狀態(tài)。當油路出現故障時自動分輥。 在停止和爬行時可以實現合輥動作但不執(zhí)行加壓動作，只有當主傳動處于運行狀態(tài)并 加速過程結束進入恒速，且速度同步時才可以執(zhí)行加壓狀態(tài)。 2.4.5 轉移施膠涂布機控制 機內涂布機可用于

44、單面涂布或雙面涂布，裝于紙機烘干部的烘缸組之間，本紙機 位四輥門輥涂布機。下涂布轉移輥的軸承是固定的，其位置不需改變。上涂布輥是移 動的，可以開啟或閉合。上涂布轉移輥線速度大于下涂布轉移輥線速度，且較紙速快 2%左右，使得紙幅象包附在上涂布轉移輥一樣離開壓區(qū)，從而使涂層在紙面上均勻 分布。轉移輥和計量輥各輥同相鄰兩輥旋轉方向相反，采用速差控制，線速度不同， 由此增大對涂料的剪切力，以利于涂料均勻分布于輥面和控制涂布量的大小。 紙頁在轉移輥 1、轉移輥 2 之間完成涂布工作，所以兩轉移輥必須同步跟隨紙機 工作車速，為了達到涂抹效果，轉移輥 2 線速度較紙速快 2%左右。對涂布機采用張 力控制，使

45、紙張在恒定的張力下連續(xù)進入涂布機。 2.4.6 斷紙連鎖控制 在紙機的壓榨部、轉移施膠機、涂布機和壓光機前裝有斷紙檢測光電開關，當出 現斷紙時迅速聲光報警，并在操作屏上指示斷紙部位。同時可以控制引紙繩立即啟動 加速至當前同步速度，為引紙做好準備工作。并可以控制使密閉汽罩門自動提升等相 關控制。 3 傳動控制系統的方案選擇和硬件設計 我國造紙工業(yè)發(fā)展速度很快，目前紙廠、造紙機械廠眾多，規(guī)模大小不等，技術 與裝備水平差異甚大，傳動控制系統也是各種各樣。紙機傳動控制系統對紙機能否正 常運行起著決定性的作用，這需要我們結合生產實際根據具體情況進行方案設計。 3.1 方案選擇的原則和注意事項 傳動控制系

46、統的方案選擇6時，我們遵循的原則是：充分考慮所選器件的可靠性、 穩(wěn)定性、市場價格等因素，使傳動控制系統與紙機整體裝備水平相適應，以確保整個 紙機系統的高性價比和穩(wěn)定。在造紙機控制系統傳動選擇過程，應當注意的以下事項： （1）不能盲目追求高技術標準 合理的選擇適合本紙機傳動技術方案，不要盲目地追求采用新技術、新方法。要 根據紙機對傳動工藝要求合理選擇。公共直流母線系統、大型 plc 組成的現場總線 控制系統都是目前的先進技術，但是在中、小紙機上采用體現不出優(yōu)越性，反而會極 大地增加成本，造成資源的浪費。應該根據自己的紙機選擇合適配套的技術標準。 （2）必須充分滿足技術標準要求，不能因為價格因素而

47、降低設計標準。 不同檔次的產品有不同的價格，應該在滿足技術性能的前提下選擇合理的系統配 置方案，選擇高的性能價格比，而不能僅僅依靠價格。即使依靠價格也應該以相同的 技術標準作為依據。 作為設計者充分考慮各方面的因素后確定最終的詳細技術方案，詳細規(guī)定所選擇 的各種設備型號和技術性能指標。不能把價格作為選擇傳動系統的依據，必須在確定 技術性能的基礎上再考慮價格。 （3）傳動系統的性能指標做到滿足生產需求即可，不能盲目追求高指標。 傳動系統的性能主要取決于系統的硬件性能，所以在選擇控制系統時應該注重系 統的硬件配置水平。比如穩(wěn)速精度、動態(tài)精度取決于變頻器產品自身的性能，過載能 力取決于工作狀況。這些

48、與傳動公司自身的技術水平沒有必要的關系，而且這些性能 指標必須是由專業(yè)的機構才能測試。所以在選擇傳動系統時應重點注重系統的硬件水 平及性能，而不要去注重那些由傳動公司自己提出的性能指標，以科學的態(tài)度對待系 統的性能指標。 plc profibus-dp profibus-dp op1opnop2 傳動部上位機 dcs上位機qcs上位機 管理級 以太網 第一級 第二級 第三級 3.2 大型紙機傳動控制系統的方案選擇 大型紙機車速比較高，速度在 500m/min 以上，傳動點多在 40 點以上，甚至達到 100 點以上，所以傳動要求自動化控制程度高。大型紙機一般采用典型的三級控制， 如圖 3-1

49、所示。 圖 3-1 大型紙機的三級控制結構圖 傳動系統第一級為變頻控制級，變頻器采用由各大公司生產的高性能變頻器（如 abb acs800、西門子 6se70 等） ，配有閉環(huán)控制編碼器反饋板，組成閉環(huán)控制系統。 變頻器上還配有現場總線通訊板，與上位 plc 組成現場總線控制網絡。 傳動系統第二級為 plc 控制系統，plc 采用大型 plc，要求支持高速現場總線 功能，操作臺控制選用操作屏，plc 與變頻器、操作屏組成現場總線控制網絡3，完 成整個紙機操作控制。 傳動系統第三級為上位優(yōu)化控制系統，采用工業(yè)控制計算機,用于整個紙機傳動系 統狀態(tài)監(jiān)控。上位機一般采用組態(tài)軟件，可以通過工業(yè)以太網與

50、 qcs 上位機、dcs 上位機、車間管理級、廠級管理級等聯網控制，實現紙機傳動控制系統優(yōu)化控制和自 動控制。 3.3 中、小型紙機傳動控制系統的方案選擇和相關設計 中、小型紙機傳動控制系統中，小型紙機車速比較低，速度在 500m /min 以下， 傳動點少，在 30 點以下，一般采用三級或二級控制。為了學習紙機傳動系統的基 礎和方便實驗，在本次設計中，我們主要以中、小型織機傳統系統為研究對象。 3.2.1 交流變頻的選擇與參數設置 在中、小型紙機傳動系統中，各部分傳動電機都在 800-1200kw 以下，故變頻器 宜選用 380v 電壓等級。它線路簡單，技術成熟，可靠性高，dv/dt 小，價

51、格相對便宜。 另外，高速紙機、薄頁紙機、涂布白板等紙機對傳動穩(wěn)定性要求比較高，因此應該選 擇高性能變頻器，如 abb acs800、simens 6se70 等；而一般的低速紙機、文化紙 機等可以選擇低一檔變頻器，如 abb acs400、simens mm440 等。 在本次設計中，我們以用 abb 公司的 acs6004和 acs4005為例進行相關設計， 它們的參數設置如下： acs600 參數設置 （1）啟動參數 （a）這些參數是設定電機信息的一組參數，只需在第一次運行時設置以后就不 需要再改變了，這一組參數代碼范圍從 9601-9910 共十個參數。 電機信息。包括電機額定電壓（99

52、05） 、額定電流（9906） 、額定頻率（9907） 、額定 速度（9908） 、額定功率（9909） 。這些參數的獲得是從電機的銘牌數據中得到。例如 一臺四極三相異步電動機 pn=30kw、in=59a、nn=1450rpm、fn=50hz、un=380v， 則設置參數時：9906=59.0、9907=50.0、9908=1450、9909=30.0。 （b）電機控制模式（9904） ，acs600 系列變頻器有兩種控制模式：（1）dtc 即直接轉矩控制。 （2）scalar 即標量控制。在直接轉矩控制模式下，系統中給定信 號為轉矩，即使在沒有反饋的情況下（即開環(huán))也可對電機進行精確的速度

53、及轉矩控 制。而標量控制相對來說控制精度要差一些。 （c）應用宏的選擇（9902） 所謂應用宏就是根據變頻器在一些常用的場合中所需的一些功能在出廠時已經經過預 編程的參數集。利用這些應用宏，用戶可以快速完成對變頻器的設置。abb600 系列 變頻器的應用宏有以下幾種：factory（工廠宏） 、hand/auto ctrl（手動/自動宏） 、 pidcontrol（pid 控制宏） 、sequential control（順序控制宏） 、torque control（轉矩控 制宏） 。用戶可以根據需要選擇應用宏，例如在利用變頻做壓力或流量控制系統中， 就可以用 pid 控制宏實現閉環(huán)控制。 （

54、2）變頻控制參數 這些參數主要規(guī)定了變頻器起動方式，包括：10.01、10.02 起動/停機/方向的命令 的信號源，在外部控制時，變頻器的起動和停止應適用外部端子或通信的方式，而 abb600 變頻器用外部端子又有多種組合，常用的可以設為 di1-di6 的任何一個作用 起動/停止的命令的輸入端。10.03 是規(guī)定變頻器所拖動電機的旋轉方向，根據電機學 我們知道三相異步電機的旋轉方向取決于輸入三相電源的像序，在需要雙向運行（如 電梯、升降機等）的場合可以把這個參數設為 request，由數字輸入端子來控制電 機的旋轉方向。16.01 允許信號：要啟動變頻器將參數必需設為 yes。 （a）給定選

55、擇 外部控制選擇 11.02abb600 有兩個控制源可以選擇即 ext1，ext2。當選擇 ext1 時，變頻器的起動由 10.01 所指定的輸入端子控制，頻率由 11.03 所指定的方式 給定。對于 pid 應用宏，此時為開環(huán)控制，對于轉矩控制宏，此時為速度控制，當選 擇 ext2 時，變頻器的起動及頻率來源分別為 10.02，11.06；在 pid 宏及轉矩控制宏 下分別為閉環(huán)控制及轉矩控方式。 頻率給定源的選擇 10.03，11.06 分別是 ext1，ext2 的給定源，對于使用模擬 作為給定時可以選擇模擬輸入端子（ai1-ai3）的任何一個作為給定，這里要說明的 是 ai1 為 0

56、-10v dc 電壓信號，ai2-ai3 位 0-20ma 電流信號，當然也可以通信或數字 端子（即電動電位器）進行設定頻率。 恒速給定。在有些場合中，如紙機在爬行時，不需要改變變頻器的運行頻率就可 以用恒速功能，abb600 變頻器有 15 種恒速可以供用戶選擇。 （b）加、減速時間 加、減速時間及積分類型的選擇十分重要，特別是在拖動大慣性負載時，如在紙 機傳動系統中，拖動烘缸的變頻器在設置加、減速時間應大一些，如加速時間過短， 起動時電機處于堵轉狀態(tài)，容易發(fā)生過流故障，如減速時間過短則可能發(fā)生慣性負載 拖動電機，使電機處于發(fā)電狀態(tài)，則變頻器發(fā)生過壓故障，建議在這些場合中如允許 可用自由停機

57、方式（即 21.03 設為 coast） 。 在紙機傳動系統中，烘缸傳動加速時間 20.02 可設為 30-40s，減速時間可稍長一 些，即 22.03 可設為 40-80s，其余傳動點加、減速時間均可設為 20-30s。 對于參數 22.06 加速/減速積分又分為線型積分、s 形曲線兩種。一般傳動系統中 均可用線型積分，在電梯及復卷機傳動系統中則用 s 形曲線。 （c）限幅參數 限幅參數主要規(guī)定電流轉矩最高運行頻率等參數，在 abb600 系列變頻器中，最 大輸出電流能達到 200%ihd，在轉矩控制模式下最大輸出能達到 300%，一般來說， 在紙機傳動控制中，都能滿足要求，這些參數基本上不

58、用修改。 （參數代碼 20.03、20.04） 對于最高運行頻率，一般出廠設定 50hz，如果傳動系統減速器選擇合適的話，也不 用修改，如果要修改這一參數時，要注意的是在運行頻率大于 50hz 時為恒功率調速， abb600 變頻器修改最高運行頻率時也設定以下幾個參數（以改為 65hz 為例）： 99.07 改為 65hz；20.08 改為 65hz；11.05 改為 1950rpm（對于四極電機） 。 （d）閉環(huán)控制參數 閉環(huán)控制的實現對于 abb600 變頻器有兩種途徑，其一是配編碼器反饋卡的速度 閉環(huán)控制，其二是過程 pid 控制。 速度閉環(huán)控制，此時要設定的參數有：編碼器每轉的脈沖數，

59、這一參數根據所選 編碼器來確定，一般有 360，500，1024，2048規(guī)格；50.02 編碼器脈沖的計算， 一般在紙機傳動中，不需正反轉運行可以設定為單 a 或 b 輸入即可；23.01 速度控制 增益；23.02 速度控制器的微分時間。這三個參數要根據具體的傳動系統進行整定， 使穩(wěn)定的動態(tài)性能指標均能滿足要求；98.01 脈沖編碼器可選模塊選擇應設為 yes。 過程 pid 閉環(huán)控制，反饋量往往是把壓力或流量通過傳感器轉換為電壓或電流信 號，這時就可以用過程 pid 控制，穩(wěn)定 pid 的參數設置如下：40.01pid 控制器增益； 40.02pid 控制器積分時間；40.03pid 控

60、制器微分時間。 acs400 參數設置 acs400 與 acs600 變頻器相比較，其功能簡單一些，它的缺陷主要有：（a） 不能實現直接轉矩控制；（b）不能實現速度閉環(huán)控制；（c）功率等級只有 2.230kw。但是在紙機傳動可以用于某些功率小、不需要多臺電機拖動的傳動點。 acs400 參數設置基本與 600 系列變頻器相似，這里就不再詳細介紹。紙機傳動控制 系統中的經常用到的參數見表 3-1。 表 3-1 acs400 系列變頻器參數常用表 參數代碼參數名稱設定值及內容 9902 應用宏 6：pid 控制宏 9905 電機額定電壓 380：380v 9907 電機額定功率 50：50hz