造紙機電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

4200/550m/min疊網(wǎng)造紙機電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計收藏此信息打印該信息添加：陳景文孟彥京謝仕宏于衍星來源：未知1引言本臺紙機屬中型紙機，車速為550m/min，精度要求較高，整套系統(tǒng)全部選擇abb配套產(chǎn)品(abb變頻器、反饋卡、適配器)。abb變頻器具有良好的驅(qū)動性能，采用先進的直接轉(zhuǎn)矩(dtc)控制模式，逆變器的功率元件采用igbt，具有多種功能范圍廣泛的電子模板可以選擇。先進的控制軟件，確保最佳的動態(tài)響應(yīng)和卓越的控制性能和高度的靈活性。多種自由功能的功能模塊及bico技術(shù)可靈活地滿足各種控制系統(tǒng)的控制功能需要。2控制系統(tǒng)組成2.1各分部傳動點的參數(shù)各分部傳動點的參數(shù)如表1所示。2.2系統(tǒng)組成系統(tǒng)原理如圖1所示。本臺紙機傳動控制采用由s7-400大型plc作為系統(tǒng)的控制中心;abb600變頻器為驅(qū)動單元，頻率分辨率為0.01hz以上;變頻專用電機作為執(zhí)行單元;歐姆龍編碼器通過abb反饋卡提供速度反饋信號，使紙機傳動在速度閉環(huán)運行模式下，從而使控制系統(tǒng)穩(wěn)速精度達到0.01%。由plc通過西門子profibus協(xié)議、dp網(wǎng)絡(luò)與變頻器實現(xiàn)速度鏈功能、速差控制、負(fù)荷分配功能、總車速升、降、各分部點的速度升、降及緊紙、松紙等功能，較理想地滿足紙機正常工作的控制需求。根據(jù)用戶要求，本控制系統(tǒng)采用交流變頻傳動控制，系統(tǒng)為兩級控制方式:第一級為變頻器控制級，變頻器采用abb公司acs600系列直接轉(zhuǎn)矩控制(dtc)變頻器，配有閉環(huán)控制編碼器反饋卡，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器上還配有profibus-dp通訊板，與上位plc組成profibus-dp現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)。圖1系統(tǒng)原理圖傳動系統(tǒng)第二級為plc控制系統(tǒng)，plc采用西門子公司大型s7-400系列plc，cpu型號為414-2dp，操作臺控制選用西門子op27操作屏，s7-400與變頻器、op27操作屏組成profibus-dp現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)，完成整個紙機操作控制。3系統(tǒng)主要功能的實現(xiàn)選用的西門子s7-400plc為控制單元，此系列plc有強大的通訊功能。可以方便組成profibus、mpi等現(xiàn)場總線系統(tǒng)，完成紙機傳動過程的通訊控制。其主要控制功能如下:3.1速度鏈控制依據(jù)紙機傳動系統(tǒng)的工藝特點，速度鏈的設(shè)計采用了調(diào)節(jié)變比的控制方法實現(xiàn)速度鏈功能。這樣可以構(gòu)成任意分支控制的速度鏈控制系統(tǒng)。(1)速度鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計速度鏈結(jié)構(gòu)采用二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，用于完成傳遞功能。首先對各傳動點進行數(shù)字抽象，確定速度鏈中各傳動點編號，此編號應(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)點的上下、左或右編號。即任一傳動點由3個數(shù)據(jù)(“父子兄”或“父子弟”)確定其在速度鏈中的位置，填位置寄存器數(shù)值。如圖2所示。該傳動點速度指令發(fā)給變頻器后，訪問位置寄存器，確定子寄存器結(jié)點號，若不為0，則對該點進行相應(yīng)處理，直到該鏈完全處理完;再查兄弟寄存器結(jié)點號，處理另一支鏈。故只須對位置寄存器初始化，即可構(gòu)成任意分支速度鏈。圖2速度鏈系統(tǒng)圖(2)算法設(shè)計例如，如圖1所示，把紙機第一分部點作為速度鏈中的主節(jié)點，即它的給定速度就決定整個紙機的工作車速，調(diào)節(jié)其給定速度就調(diào)節(jié)了整個紙機車速。在plc內(nèi)，檢測到車速調(diào)節(jié)信號則改變車速單元值，1點處的速度就為第一臺變頻器的運行速度設(shè)定值，將其送第一臺變頻器執(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則為第二臺變頻器的給定值。若第二分部速度不滿足運行要求，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(xiàn)，plc檢測到按鈕信號后調(diào)節(jié)b1即調(diào)整了變比，使其適應(yīng)生產(chǎn)要求。相當(dāng)于在plc內(nèi)部有一個高精度的齒輪變速箱，可以任意無級調(diào)速。若正常生產(chǎn)中變比合適，某種原因需要用緊紙、松紙時，按下該分部緊紙、松紙按鈕，plc將對應(yīng)在速度鏈上附加一正或負(fù)的偏移量則實現(xiàn)緊紙、松紙功能。圖中2點就包含了調(diào)速和緊紙、松紙等操作指令的速度值，將它送給第二臺變頻器執(zhí)行，同時送下一級計算。依此類推，構(gòu)成速度鏈控制系統(tǒng)。速度鏈的分支設(shè)計采用父子算法，可以構(gòu)成任意分支的速度鏈結(jié)構(gòu)。3.2負(fù)荷分配控制網(wǎng)部、壓榨部要求有負(fù)荷分配，所以它們之間要求速度同步的同時要求負(fù)載率均衡，否則會影響正常抄紙。當(dāng)負(fù)荷不能均勻分布時，有可能撕壞毛布或造成斷紙，所以這些傳動部分的各自傳動點之間實施負(fù)荷分配自動控制功能。負(fù)荷分配簡單原理及實現(xiàn):在紙機、印染機或其他傳動系統(tǒng)中，只是電動機速度同步并不能滿足實際系統(tǒng)的工作要求，實際系統(tǒng)還要求各傳動點電機負(fù)載率相同，即δ=pi/pie相同(pi為i電機所承擔(dān)負(fù)載功率，pie為電機額定功率)?，F(xiàn)在以圖2三點負(fù)荷分配為例，p1e、p2e、p3e為三臺電機額定功率，pe為額定總負(fù)載功率，pe=p1e+p2e+p3e。p為實際總負(fù)載功率，p1、p2、p3為電機實際負(fù)載功率，則p=p1+p2+p3。負(fù)荷分配的目的就是使p1、p2、p3滿足上述要求。在實際控制當(dāng)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(zhuǎn)矩代替電機功率。負(fù)荷分配采樣各分部電機的轉(zhuǎn)矩，這樣計算出系統(tǒng)總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩，根據(jù)系統(tǒng)總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩可以計算出負(fù)載平衡時的期望值轉(zhuǎn)矩。計算平均負(fù)荷轉(zhuǎn)矩方法如下式所示:其中:mli第i臺電機實際輸出轉(zhuǎn)矩;pei第i臺電機額定功率;m為負(fù)荷平衡期望轉(zhuǎn)矩;負(fù)荷分配控制器根據(jù)平均期望轉(zhuǎn)矩m和自己實際轉(zhuǎn)矩mli比較進行調(diào)節(jié)。紙機負(fù)載隨時波動，所以計算出的平均期望轉(zhuǎn)矩m也根據(jù)實際負(fù)載變化，所以這種控制算法可以準(zhǔn)確計算出總負(fù)荷和每臺電機應(yīng)該輸出的轉(zhuǎn)矩，為準(zhǔn)確控制提供了方便。通過plc來完成的負(fù)荷分配方法是plc通過profibus-dp網(wǎng)絡(luò)讀取電機轉(zhuǎn)矩，利用上述原理再配以先進的pid調(diào)節(jié)算法調(diào)節(jié)變頻器的輸出使電機轉(zhuǎn)矩百分比一樣，即各電機轉(zhuǎn)矩電流和額定電流比值應(yīng)相等。這樣完成負(fù)荷分配的自動控制。對于網(wǎng)部，由于驅(qū)網(wǎng)輥和伏輥可能出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，所以對于驅(qū)網(wǎng)輥和伏輥設(shè)有最大速差保護，若超過最大速差還不能達到負(fù)荷平衡，則自動負(fù)荷分配停止，處于速度控制模式。對于壓榨部根據(jù)紙機的壓榨部上下壓榨輥的加壓信號進行控制，當(dāng)上下輥加壓后，吸移輥與上下壓輥處于負(fù)荷分配控制模式，plc啟動負(fù)荷分配調(diào)節(jié)控制，上下輥分開時從機處于速度控制模式，plc停止負(fù)荷分配，維持速度同步不變。由于負(fù)荷分配控制點屬于共同帶同一負(fù)載，所以要求同時啟動，同時停止。但在調(diào)試檢修過程中要能單獨起停，因此對負(fù)荷分配各傳動點采用單動/聯(lián)動控制。3.3張力控制根據(jù)紙機工藝要求，在壓榨后、涂布機、卷取前可以加張力傳感器。張力傳感器將張力信號送入plc，在操作臺上安裝的操作屏上進行張力設(shè)定，plc根據(jù)張力設(shè)定值和張力傳感器的反饋值進行調(diào)節(jié)，保持張力恒定準(zhǔn)確，并在操作臺的操作屏上顯示實際張力。圖3控制系統(tǒng)原理圖張力傳感器檢測紙頁的張力信號送入s7-400plc內(nèi)，根據(jù)在網(wǎng)部操作屏上的張力設(shè)定進行計算，調(diào)節(jié)其后傳動輥的輸出轉(zhuǎn)矩，維持紙頁張力恒定，實現(xiàn)張力閉環(huán)控制。在張力傳感器前加有斷紙檢測，出現(xiàn)斷紙，可以自動退出張力控制模式，自動轉(zhuǎn)為速度控制模式。待紙頁重新引上后，斷紙信號消失，自動轉(zhuǎn)換為張力控制模式。plc內(nèi)采用pid控制算法，并帶有速度限幅，防止斷紙時出現(xiàn)飛車現(xiàn)象。plc對張力傳感器信號進行分析，可以及時報警并有效預(yù)防張力傳感器故障對生產(chǎn)的影響。4控制系統(tǒng)原理圖及變頻器參數(shù)設(shè)置控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。5結(jié)束語造紙機傳動系統(tǒng)各個傳動點既要保持速度一致性，又要有一定的速差。同時具有機械相聯(lián)系的傳動點又要有負(fù)荷平衡即負(fù)荷分配功能。abb600變頻器具有dtc控制功能，具有很高的可靠性和完善的功能實現(xiàn)，通過豐富的參數(shù)組態(tài)和附加控制工藝板與plc通過profibus協(xié)議通訊、協(xié)調(diào)工作可滿足中、高速造紙機對傳動系統(tǒng)要求大速比變化、高穩(wěn)態(tài)精度等控制性能的需要。本套系統(tǒng)在河北一紙廠調(diào)試正常并已投入生產(chǎn)數(shù)月，各項性能指標(biāo)均達到或超過廠家要求標(biāo)準(zhǔn)。參考文獻