變頻器和可編程在造紙復(fù)卷機(jī)中的應(yīng)用

1、變頻器和可編程在造紙復(fù)卷機(jī)中的應(yīng)用引言 復(fù)卷機(jī)是一種重要的造紙生產(chǎn)機(jī)械，通常安裝在緊接造紙機(jī)的后面，其車(chē)速應(yīng)為紙機(jī)速度的2-3倍，一般為1500-1800m/min,最高達(dá)3000m/min以上，引紙時(shí)，要以最高車(chē)速的1：100運(yùn)行。為保證在復(fù)卷過(guò)程中不斷紙和松紙，必須保證紙幅的張力恒定；為保證成品紙內(nèi)緊外松的品質(zhì)，必須對(duì)前后底輥電機(jī)進(jìn)行負(fù)荷分配控制，并對(duì)壓紙輥進(jìn)行壓力控制。因此，復(fù)卷機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的主要性能要求是線速度長(zhǎng)期穩(wěn)定，速度可調(diào)且調(diào)速范圍寬，具有快速響應(yīng)的特點(diǎn)。傳統(tǒng)復(fù)卷機(jī)的控制以直流傳動(dòng)為主，采用直流數(shù)字控制系統(tǒng)。由于直流電機(jī)換向器及電刷的原因，在穩(wěn)定條件下，復(fù)卷機(jī)的設(shè)計(jì)車(chē)速只能達(dá)

2、到1800m/min，數(shù)字式調(diào)節(jié)器的精確度仍限于最高速度的0.08%左右，滿足不了高速紙機(jī)的配套要求。隨著復(fù)卷機(jī)生產(chǎn)工藝和車(chē)速的不斷提高，對(duì)復(fù)卷機(jī)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)的要求也越來(lái)越高。為了減少?gòu)?fù)卷機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與控制室之間的大量布線，提高信號(hào)的傳輸速度和質(zhì)量，以PLC為控制單元，變頻器為執(zhí)行單元、OP操作面板為操作單元組成全數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)總線復(fù)卷機(jī)交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)已成為復(fù)卷機(jī)交流改造的有效途徑。1控制系統(tǒng)組成及硬件配置 復(fù)卷機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)可以分為兩個(gè)部分，其一是卷取部分，另一個(gè)是放卷部分。放卷部分有1臺(tái)放卷電機(jī)，卷取部分有2臺(tái)卷取電機(jī)，這兩組電機(jī)依靠紙幅張力聯(lián)系在一起，如圖1所示，具體說(shuō)，放卷電機(jī)的

3、作用是提供一個(gè)反向力矩，在放卷的過(guò)程中拉緊紙。吧卷取部分看為一個(gè)整體，則卷取電機(jī)用來(lái)克服放卷電機(jī)所提供的方向力矩，拉平紙幅并卷取紙卷。 根據(jù)復(fù)卷機(jī)工藝要求，利用Profibus-DP總線組成如圖1所示的復(fù)卷機(jī)三級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)控制以PLC為核心，3臺(tái)6SE70變頻器和人機(jī)界面OP掛在Profibus-DP總線上。Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線主要用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳輸，解決自動(dòng)控制系統(tǒng)（如PC、PLC等）通過(guò)高速串行總線與分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如遠(yuǎn)程I/O，變頻器、電磁閥等）之間的通信任務(wù)。傳動(dòng)系統(tǒng)第一級(jí)為變頻器主要完成對(duì)前后底輥電機(jī)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配控制，控制兩電機(jī)的轉(zhuǎn)矩按設(shè)定曲線運(yùn)行，對(duì)放卷電

4、機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)合恒張力閉環(huán)控制；傳動(dòng)系統(tǒng)第二級(jí)為PLC控制系統(tǒng)，主要完成壓紙輥壓區(qū)壓力控制和對(duì)整個(gè)復(fù)卷機(jī)的操作控制。傳動(dòng)系統(tǒng)第三級(jí)為上位優(yōu)化控制系統(tǒng)，采用OP270作為上位機(jī)用于對(duì)整個(gè)復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行操作和監(jiān)控。系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，PLC和OP270操作面板為主站，變頻器、ET200M為從站。主站在總線上向從站發(fā)送數(shù)據(jù)并向從站索取數(shù)據(jù)，從站只有當(dāng)主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)才能和主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。從站必須設(shè)置DP地址，區(qū)分各個(gè)從站?，F(xiàn)場(chǎng)的傳感器信號(hào)和各種控制信號(hào)接到臨近遠(yuǎn)程ET200M上，并通過(guò)Profibus-DP總線與控制器PLC交換信息；退紙輥、前后底輥電機(jī)采用西門(mén)子矢量變頻器調(diào)速，通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)

5、控制。分散的現(xiàn)場(chǎng)備以Profibus-DP總線形式連接成可以相互溝通信息，共同完成控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，形成控制功能徹底下方到現(xiàn)場(chǎng)的全分布網(wǎng)絡(luò)集成式新型控制系統(tǒng)。 在圖1中，為了滿足一定的性價(jià)比，系統(tǒng)配置上采用了這樣的解決方案： （1）PLC選用高性能的SIMATICS S7-300,CPU為315-2DP,帶有兩個(gè)Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線接口。它是該控制系統(tǒng)的一類(lèi)主站，主要完成總線通信控制與管理。 （2）OP270操作面板作為該系統(tǒng)二類(lèi)主站，完成各站點(diǎn)的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)和故障診斷等。它是高性能液晶彩色操作面板，通過(guò)RS485口與Profibus-DP總線相連，全中文的擦破做界面方便工人的操作。

6、(3) 分布式I/O ET-200M，它是一個(gè)模塊化的Profibus-DP I/O從站，通過(guò)IM153接口模板連接Profibus-DP ，負(fù)責(zé)信號(hào)采集和輸出。根據(jù)復(fù)卷機(jī)控制要求，遠(yuǎn)程I/O需配置3個(gè)DI模板，3個(gè)DO模塊，2個(gè)AI模塊和2個(gè)AO模塊。其尋址方式如同任何SIMATIC S7-300CPU集中方式或擴(kuò)展單元中I/O的尋址方式一樣，即I/O模板可以直接用指令尋址或經(jīng)過(guò)程映像來(lái)訪問(wèn)。 （4）3臺(tái)變頻器均選用西門(mén)子公司的6SE70矢量變頻器（全數(shù)字交流調(diào)速裝置），通過(guò)CBP2（Profibus通信板）作為從站接入Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線上。6SE70變頻器的矢量控制，可以提高復(fù)

7、卷機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，克服由于加減速的變化引起的速度波動(dòng)，保證復(fù)卷器的張力恒定和速度的穩(wěn)定性。6SE70變頻器的自由功能塊和BICO技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)靈活的組態(tài)設(shè)計(jì)，完成工藝復(fù)雜的控制要求。2、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2.1控制程序結(jié)構(gòu)S7-300系列PLC的編程語(yǔ)言是STEP7。STEP7用文件塊的形式管理用戶編寫(xiě)的程序及程序運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)。如果這些文件塊是子程序，則可以提供調(diào)用語(yǔ)句，將它們組成結(jié)構(gòu)化的用戶程序。這樣，PLC的程序組織明確，結(jié)構(gòu)清晰，易于修改。在系統(tǒng)中，復(fù)卷機(jī)的控制程序主要由組織塊OB、系統(tǒng)功能SFC、功能FC和數(shù)據(jù)塊DB等4中程序快組成。組織塊OB是系統(tǒng)操作程序與用戶應(yīng)用程序在各種條件下

8、的接口界面，用于控制程序運(yùn)行。不同的OB有不同的功能。設(shè)計(jì)中組織塊有OB1、OB82、OB4、OB5、OB86、OB100、OB122。OB1是用作主表程序循環(huán)的，它用來(lái)設(shè)計(jì)主循環(huán)程序的結(jié)構(gòu)。OB82是診斷中斷程序，診斷接收來(lái)自有診斷能力的模塊（如：模擬輸入模塊）。OB84是CPU硬件故障中斷，OB85是優(yōu)先級(jí)錯(cuò)誤中斷，OB86是機(jī)架錯(cuò)誤中斷，OB87是通信錯(cuò)誤中斷。OB100屬于啟動(dòng)組織塊，是暖啟動(dòng)用的。OB122是訪問(wèn)錯(cuò)誤組織塊，屬于故障處理組織塊。系統(tǒng)還用到SFC14、SFC15這兩個(gè)系統(tǒng)功能塊。SFC14、SFC15是作為Profibus-DP通信用的系統(tǒng)功能塊，SFC14是用來(lái)讀取從

9、站的信息數(shù)據(jù)，SFC15是PLC用來(lái)對(duì)從站發(fā)送數(shù)據(jù)的。它的應(yīng)用是通過(guò)編制程序快FC時(shí)調(diào)用的。OB1主程序FC1輔助設(shè)備及工藝互鎖控制FC2模擬量采集與處理FC3卷紙控制FC4變頻器控制FC5變頻器通信FC6放卷輥張力控制FC7卷取輥負(fù)荷分配控制FC8壓紙輥壓力控制FC是自定義程序塊，其中包括過(guò)程控制、數(shù)據(jù)處理、輔助設(shè)備控制、變頻器控制和通信控制等模塊。其程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。 圖2 控制程序結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)塊DB用來(lái)存放用戶程序運(yùn)行所需的大量數(shù)據(jù)或變量，它也是實(shí)現(xiàn)各程序塊之間交換、傳遞和共享數(shù)據(jù)的重要途徑。該設(shè)計(jì)有5個(gè)數(shù)據(jù)塊，用來(lái)存放復(fù)卷機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的設(shè)備狀態(tài)或工藝參數(shù)，例如：電機(jī)的運(yùn)行、停止或故障指

10、示數(shù)據(jù)（數(shù)字量），電機(jī)的速度、電流、紙幅的張力數(shù)據(jù)（模擬量）等。在編程階段，要先用STEP7軟件定義數(shù)據(jù)塊，定義內(nèi)容包括數(shù)據(jù)塊號(hào)及塊中的變量。2.2 各程序塊功能本著結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)思想，PLC程序分成圖2所示的幾個(gè)功能模塊，這些模塊分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的某些控制功能，它們?cè)诠δ艿木幊踢壿嫿M合上既有一定的相對(duì)獨(dú)立性，又可以供其他模塊使用。輔助設(shè)備和工藝聯(lián)鎖控制模塊FC1是簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量控制，主要對(duì)復(fù)卷機(jī)的輔助設(shè)備（如：吹邊風(fēng)機(jī)、卸紙架電機(jī)、抱閘、退紙架電機(jī)和電磁閥等）的操作控制及指示燈邏輯控制，這個(gè)程序塊采用梯形圖編程。模擬量采集與處理模塊FC2主要是對(duì)工藝過(guò)程中的模擬量參數(shù)進(jìn)行采集、顯示與存儲(chǔ)。模擬量

11、包括參數(shù)設(shè)置（如張力、速度給定等）和各種反饋信號(hào)（如電機(jī)的速度、電流和轉(zhuǎn)矩）等，同時(shí)對(duì)采集量進(jìn)行線性化處理，并轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，對(duì)輸入進(jìn)行限幅、報(bào)警，對(duì)一些重要的域值進(jìn)行標(biāo)記。卷紙控制FC3主要實(shí)現(xiàn)紙長(zhǎng)、卷徑的控制功能，以便復(fù)卷機(jī)根據(jù)檢驗(yàn)到的這兩個(gè)值按紙長(zhǎng)或卷徑停車(chē)。變頻器FC4主要對(duì)3臺(tái)變頻器進(jìn)行控制，該模塊接受外部輸入指令（如速度給定），并把該指令輸入到變頻器中，以使變頻器根據(jù)工藝要求控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。變頻器通信程序塊FC5主要用來(lái)調(diào)用系統(tǒng)功能塊SFC14和SFC15，以便讀出和寫(xiě)入變頻器中的數(shù)據(jù)。過(guò)程控制模塊FC6、FC7和FC8主要實(shí)現(xiàn)張力、負(fù)荷分配和壓力控制。其中張力和負(fù)荷分配控制是由

12、變頻器完成的，PLC在這里只對(duì)相關(guān)的值進(jìn)行采集、計(jì)算和簡(jiǎn)單的處理。如當(dāng)進(jìn)行張力控制時(shí)，該模塊計(jì)算卷徑和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩，然后把這些量提供給放卷輥電機(jī)的變頻器，控制變頻器按照設(shè)定的張力、自動(dòng)輸入的車(chē)速轉(zhuǎn)換為電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸入到變頻器，或?qū)⑥D(zhuǎn)矩微調(diào)的給定送到變頻器，使變頻器控制前后兩個(gè)底輥電機(jī)的出力情況。壓紙輥壓力控制包括壓紙輥壓力計(jì)算、紙卷半徑計(jì)算等。2.3各功能模塊之間接口設(shè)計(jì)如上所述，復(fù)卷機(jī)控制程序是由幾個(gè)功能模塊組成的，由于控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換。有些功能模塊之間又有許多聯(lián)系，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。因此，數(shù)據(jù)在程序中已經(jīng)不僅僅是位的信息。而是以字節(jié)或字為單位的信息。數(shù)據(jù)量的擴(kuò)大使原來(lái)的標(biāo)志位不敷使用，所以使

13、用數(shù)據(jù)塊DB代表標(biāo)志位的功能。在編程序時(shí)首先定義一個(gè)共享數(shù)據(jù)塊，提高程序的代碼效率，縮短代碼長(zhǎng)度。但是，現(xiàn)場(chǎng)必須對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行很好的管理，防止對(duì)數(shù)據(jù)塊的非法引用或修改。具體就是：明確數(shù)據(jù)塊每個(gè)單元的作用；盡可能減少對(duì)數(shù)據(jù)塊各個(gè)單元的修改入口，保持?jǐn)?shù)據(jù)的清潔；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和保護(hù)，防止意外錯(cuò)誤。 該設(shè)計(jì)使用的數(shù)據(jù)塊DB有：DB1模擬量數(shù)據(jù)使用；DB2計(jì)數(shù)器模板內(nèi)部使用；DB3臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；DB10共享數(shù)據(jù)塊（任何FB、FC 、OB均可讀寫(xiě)存放在共享數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)；DB11變頻器相關(guān)數(shù)據(jù)。2.4、PLC與OP270之間的接口設(shè)計(jì)PLC與OP270之間除了通過(guò)Profibus-DP總線進(jìn)行的電氣連接外，更重要的是 和數(shù)據(jù)上的聯(lián)系。OP270是一個(gè)被動(dòng)的顯示器，它顯示的一切數(shù)據(jù)和具有的控制功能都要通過(guò)PLC為其提供。在OP270中不用編寫(xiě)通信程序而只要簡(jiǎn)單組態(tài)連接參數(shù)就可以連接到PLC上。所以PLC只需對(duì)它們之間傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化即可。其內(nèi)容為