造纸机传动控制系统

作者:本网编辑 文章来源:MM现代制造 点击数:506 发布时间:2010-08-05

本文是我公司采用森兰SB80系列变频器西门子S7-200 PLC组成一套文化纸机传动控制系统。通过可编程逻辑控制器(PLC)和变频器之间的通信,控制传动点的启动、停止、增速、减速、紧纸等操作,由软件自动实现负荷分配、速度链等功能,充分满足造纸工艺及电控的需要。
1 纸机对电气传动控制系统的要求 
1.1  该机结构简图如图1示。纸机为1760/250 m/min长网多缸文化纸机,生产40~65g/m2高级文化用纸,稳态精度≤0.01%。
 
图1 结构简图
1.2为了能生产出质量标准较高的产品,纸机对电气传动系统提出如下的要求:
(1)  纸机工作速度要有较大的调节范围,为了使造纸机具有较强的产品、原料的适应性(如打浆度、浆料配比与种类、定量、纸种等),纸机传动可在较大的范围内均匀的调节速度,调节范围为1:8;
(2)  车速要有较高的稳定裕度,总车速提升、下降要平稳。为了稳定纸页的定量和和质量、减少纸幅断头,要求纸机稳速精度为±0.05~0.01%;
(3)  速差控制,速比可调、稳定。纸幅在网部和压榨部时,其纵向伸长横向收缩,而在烘干部时,两向都收缩,因此纸机各分部的线速度稍有差异,即速差。速差在一定范围内变化不引起纸页质量的突变。此时的速差对成纸来说,主要影响纸页的克重。误差应控制在0.1%以内保持纸张不被拉断。纸机各分部的速比的最大波动值与浆料配比、定量、车速、生产工艺、纸页收缩率及分部之间的纸幅无承托引段的张力等因素有关。因此,造纸机各相邻分部间应有适当的速差来形成良好的纸页。纸机各分部的速度必须是可以调节的,为±10~15%。利于工作时调整。为了生产较高质量的纸幅和减少断头率,还要保持各分部间速比的稳定;
(4)  各分部点具有速度微升、微降功能,引纸操作时的紧纸、松纸功能。具有刚性联结或软联结的传动分部,如网部、压榨部、施胶部,能进行负荷动态调节。防止某点的速度发生变化而引起负荷在分部内动态转移,如不及时进行自动的调节(因为现在使用的变频器基本上都不具备长期四象限运行能力),有的传动点负载可能超过它自身的功率范围引起过流发生,有的传动点被拖动而引起过高的泵升电压,导致变频器过压而保护跳闸,甚至损坏变频器和损坏毛布。同时在这些分部中,应具有单动、联动功能,并可以同时起动、停止。必要的显示功能,如线速度、电流或转矩、运行信号、故障信号等;
(5) 爬行速度。 为了检修和清洗聚酯网、压榨毛毯、干网以及各分部的运行工况,各分部应有15~50m/min可调的爬行速度,但不宜在此速度下长时间运行;
(6)  纸机为恒转矩负载性质,要选择具有恒转矩控制性能的变频器,并具有较高的分辨率,良好的通讯能力,并采用PLC作为控制单元,实现对整个控制系统的可靠、协调的控制,以满足纸机控制系通正常工作的需要。
 2 控制系统组成
系统原理图如图2所示 。该纸机传动系统采用由S7-226小型PLC作为系统的控制中心;由功能较强大的森兰SB80系列变频器为驱动单元,频率分辨率为0.01Hz以上;变频专用电机作为执行单元;欧姆龙编码器提供速度反馈信号,使纸机传动在速度闭环运行模式下,从而使控制系统稳速精度达到0.01%。由PLC通过西门子MODUBUS协议、RS485网络与变频器实现速度链功能、速差控制、负荷分配功能、总车速升、降、各分部点的速度升、降及紧纸、松纸等功能,较理想地满足纸机正常工作的需求。

                                图2系统原理图
森兰SB80系列变频器采用TI推出的32位150MIPS的高速电机控制专用DSP和自主开发的嵌入式实时软件操作系统;电机控制理论的先进性——转子磁场定向和精确磁通观测器的闭环电流矢量控制;整机设计的先进性——高启动转矩、高过载能力、高速电流限制等。森兰SB80能满足各种苛刻工况下的电机控制,广泛应用于恒转矩控制、位置控制、张力和卷绕控制、纺织应用等领域。
3 控制系统软件设计
控制系统的软件设计基于以下原则:1  程序模块化结构化设计,其中负荷分配、速度增减、初始化、紧纸、速比计算、校验、数据发送、接收等作为子程序调用;2  程序采用循环扫描的方式对传动点进行处理,简化程序,提高程序执行效率;3  采用中断子程序进行数据的发送、接收;确保数据的准确快速的传输;4 必要的软件保护措施,以免造成重大机械损害。
因此该程序通用性强,可移植性好,使用不同的变频器,只须进行相应协议的格式的定义。即数据发送、接收、校验程序的相应修改即可,满足纸机运行的需要。主程序流程图如图3所示

                      图3主程序流程图
3.1 速度链设计及速差控制   
速度链结构采用二叉树数据结构算法,完成数据传递功能。首先对各传动点位置进行数学抽象,确定速度链中各传动点编号,此编号应与变频器内部地址一致。然后根据二叉树数据结构,确定各结点的上下、左或右编号。即任一传动点由3个数据(“父子兄”或“父子弟”)确定其在速度链中的位置,填入位置寄存器数值。如图4所示。
 
图4 位置寄存器示意图
    该传动点速度给变频器后,访问位置寄存器,确定子寄存器结点号,若不为0,则对该经点进行相应处理,直到该链完全处理完;再查兄弟寄存器结点号,处理另一支链。所以只须对位置寄存器初始化,即可构成具有任意分支结构的速度链。
算法设计采用了调节变比的控制方法。如图五所示,纸机二压点作为速度链中的主节点,它的速度就是整个纸机的工作车速。在 PLC内,我们通过通信检测到车速调节信号则改变车速单元值,同时送给驱网、吸移、真压、一压分部,其速度值乘以相应的速比,即是该传动点的速度运行值。若某一分部速度不满足运行要求,说明该分部变比不合适,可通过操作该分部的加速、减速按钮实现,PLC检测到按钮信号后调整了变比,使其适应传动点间的速差控制要求。相当于在PLC内部有一个高精度的齿轮变速箱,可以任意无级调速。
若正常生产中变比合适,需要紧纸、松纸操作时,按下该分部紧纸、松纸按钮,PLC将对应在速度链上附加一正或负的偏移量则实现紧纸、松纸功能。同时送下一级计算,依此类推,构成速度链及速差控制系统。前一级车速调整,后面跟随调整,后级调整不影响前级,适应纸机操作引纸的顺序要求。
速度链的传递关系由图5来体现,由PLC软件实现。
 
图5  纸机速度链结构图                                                  
3.2 负荷分配设计
该纸机传动结构上有柔性联结的传动点,烘缸部和压榨部。它们之间不仅要求速度同步还需要负载率均衡,否则会造成一个传动点由于过载而过流,而另一传动点则由于被带动而过压,影响正常抄纸,甚至可能撕坏毛布,损坏变频器、机械设备。因此这两个传动部分的传动点之间需要负荷分配自动控制。
负荷分配工作原理:假设P1e、P2e为两台电机额定功率,Pe为额定总负载功率,Pe= P1e+P2e 。P为实际总负载功率,P1、P2为电机实际负载功率,则P= P1+ P2。系统工作要求 P1=P*P1e/Pe ,P2=P*P2e/Pe,两个值相差≤3%。
由于电机功率是一间控制接量。实际控制以电机定子转矩代替电机功率进行计算。
PLC采样各分部电机的转矩,计算每一组的总负荷转矩,根据总负荷转矩计算负载平衡时的期望转矩值。计算平均负荷转矩方法如下公式所示。
               M= 
 其中:      ML1 、ML2 是压榨、烘缸电机实际输出转矩; 
                 Pe1 、Pe2 是压榨、烘缸台电机额定功率;
                 M    为负荷平均期望转矩
PLC通过Modbus总线得到电机转矩,利用上述原理再施以PID算法,调节变频器的输出,使两电机转矩百分比一致。即完成负荷自动分配的目标。
设置最大限幅值,如果负荷偏差超过该设定值,要停机处理,以防机械、电气损害发生。负荷分配控制实现的前提是合理的速度链结构,使负荷分配的传动点组处于子链结构上,该部负荷调整时,不影响其它的传动点,因此速度链结构是采用主链与子链相结合的形式。
3.3辅助控制的机、电、液一体化设计
辅助部分的机、电、液一体化、连锁及保护、卷纸机自动换卷控制、稀油站润滑系统等辅助电气系统协调工作,以保证系统正常运行和设备安全。
4变频器部分主要参数设置
  变频器主要参数设置如下表所示,本表适合各系列森兰变频器,所以未列出代码,实际只需找到相应功能设置好即可:

  对表中部分参数注释如下:加减速时间,在造纸机传动系统中,由于传动点数目较多,即变频器数量较多,所以负载不近相同。这就要求加减速时间设定不同,对烘缸类大惯性负载加减速时间要长一些,否则会导致变频器过载报警,对其他辊类负载则加减速时间可稍短一些。通讯参数中地址设定一般从一侧设置至另一侧,即由1至最后。本表为主要参数,还有一些其他参数需据现场情况作相应改动,本文不一一复述。
4  结 语
造纸机传动系统各个传动点既要保持一定的速度一致性,又要有一定的速差。同时具有机械相联系的传动点又要有负荷平衡即负荷分配功能。森兰SB80系列变频器具有很高的可靠性和和完善的功能实现,通过丰富的参数组态与PLC通过MODUBUS协议通讯、协调工作可满足中、高速造纸机对传动系统要求大速比变化、高稳态精度等控制性能的需要。
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