摘要   本文應(yīng)用森蘭SB80系列變頻器和西門子S7-200PLC組成的文化紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)軟、硬件設(shè)計(jì),較好的實(shí)現(xiàn)了紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的負(fù)荷分配、速度鏈、張力控制等功能。這種基于S7-200PLC的全數(shù)字控制系統(tǒng)適用中、高速紙機(jī)的速度、可靠性等控制性能的需要。
abstract  The paper applies sen lan SB80 series inverters and Simens the S7-200PLC combbbbbbbb cultural paper engine drive control system, through is soft, the hardware design, Good realization paper machine electricity transmission function and so on in control system load assignment, speed chain, tensity control. This kind of based on the S7-200PLC entire numerical control system is suitable of middle, high speed paper machine,s speed, reliability control perbbbbance and so on the need.
關(guān)鍵詞   造紙機(jī)  森蘭變頻器  傳動(dòng)系統(tǒng)  設(shè)計(jì)
.keywords  paper machine  sen lan inverter  transmission system  design
引言  隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，制漿造紙業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要支柱，早期的造紙生產(chǎn)產(chǎn)量較低，對(duì)電控沒(méi)有太高要求，隨著造紙規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)造紙機(jī)的產(chǎn)量及速度要求越來(lái)越高，從而對(duì)紙機(jī)配套電控系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。
本文采用森蘭SB80系列變頻器和西門子S7-200 PLC組成一套文化紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)。通過(guò)可編程邏輯控制器（PLC）和變頻器之間的通信，控制傳動(dòng)點(diǎn)的啟動(dòng)、停止、增速、減速、緊紙等操作，由軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配、速度鏈等功能，充分滿足造紙工藝及電控的需要。
1 紙機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求 
1．1  該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1示。紙機(jī)為1760/250 m/min長(zhǎng)網(wǎng)多缸文化紙機(jī)，生產(chǎn)40~65g/m2高級(jí)文化用紙，穩(wěn)態(tài)精度≤0.01%。
 
圖1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1.2為了能生產(chǎn)出質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)較高的產(chǎn)品，紙機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)提出如下的要求：
（1）  紙機(jī)工作速度要有較大的調(diào)節(jié)范圍，為了使造紙機(jī)具有較強(qiáng)的產(chǎn)品、原料的適應(yīng)性（如打漿度、漿料配比與種類、定量、紙種等），紙機(jī)傳動(dòng)可在較大的范圍內(nèi)均勻的調(diào)節(jié)速度，調(diào)節(jié)范圍為1:8；
（2）  車速要有較高的穩(wěn)定裕度，總車速提升、下降要平穩(wěn)。為了穩(wěn)定紙頁(yè)的定量和和質(zhì)量、減少紙幅斷頭，要求紙機(jī)穩(wěn)速精度為±0.05～0.01%；
（3）  速差控制，速比可調(diào)、穩(wěn)定。紙幅在網(wǎng)部和壓榨部時(shí)，其縱向伸長(zhǎng)橫向收縮，而在烘干部時(shí)，兩向都收縮，因此紙機(jī)各分部的線速度稍有差異，即速差。速差在一定范圍內(nèi)變化不引起紙頁(yè)質(zhì)量的突變。此時(shí)的速差對(duì)成紙來(lái)說(shuō)，主要影響紙頁(yè)的克重。誤差應(yīng)控制在0.1%以內(nèi)保持紙張不被拉斷。紙機(jī)各分部的速比的最大波動(dòng)值與漿料配比、定量、車速、生產(chǎn)工藝、紙頁(yè)收縮率及分部之間的紙幅無(wú)承托引段的張力等因素有關(guān)。因此，造紙機(jī)各相鄰分部間應(yīng)有適當(dāng)?shù)乃俨顏?lái)形成良好的紙頁(yè)。紙機(jī)各分部的速度必須是可以調(diào)節(jié)的，為±10~15%。利于工作時(shí)調(diào)整。為了生產(chǎn)較高質(zhì)量的紙幅和減少斷頭率，還要保持各分部間速比的穩(wěn)定；
（4）  各分部點(diǎn)具有速度微升、微降功能，引紙操作時(shí)的緊紙、松紙功能。具有剛性聯(lián)結(jié)或軟聯(lián)結(jié)的傳動(dòng)分部，如網(wǎng)部、壓榨部、施膠部，能進(jìn)行負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。防止某點(diǎn)的速度發(fā)生變化而引起負(fù)荷在分部?jī)?nèi)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移，如不及時(shí)進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)節(jié)（因?yàn)楝F(xiàn)在使用的變頻器基本上都不具備長(zhǎng)期四象限運(yùn)行能力），有的傳動(dòng)點(diǎn)負(fù)載可能超過(guò)它自身的功率范圍引起過(guò)流發(fā)生，有的傳動(dòng)點(diǎn)被拖動(dòng)而引起過(guò)高的泵升電壓，導(dǎo)致變頻器過(guò)壓而保護(hù)跳閘，甚至損壞變頻器和損壞毛布。同時(shí)在這些分部中，應(yīng)具有單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)功能，并可以同時(shí)起動(dòng)、停止。必要的顯示功能，如線速度、電流或轉(zhuǎn)矩、運(yùn)行信號(hào)、故障信號(hào)等；
（5） 爬行速度。 為了檢修和清洗聚酯網(wǎng)、壓榨毛毯、干網(wǎng)以及各分部的運(yùn)行工況，各分部應(yīng)有15～50m/min可調(diào)的爬行速度，但不宜在此速度下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行；
（6）  紙機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載性質(zhì)，要選擇具有恒轉(zhuǎn)矩控制性能的變頻器，并具有較高的分辨率，良好的通訊能力，并采用PLC作為控制單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠、協(xié)調(diào)的控制，以滿足紙機(jī)控制系通正常工作的需要。
 2 控制系統(tǒng)組成
系統(tǒng)原理圖如圖2所示 。該紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用由S7-226小型PLC作為系統(tǒng)的控制中心；由功能較強(qiáng)大的森蘭SB80系列變頻器為驅(qū)動(dòng)單元，頻率分辨率為0.01Hz以上；變頻專用電機(jī)作為執(zhí)行單元；歐姆龍編碼器提供速度反饋信號(hào)，使紙機(jī)傳動(dòng)在速度閉環(huán)運(yùn)行模式下，從而使控制系統(tǒng)穩(wěn)速精度達(dá)到0.01%。由PLC通過(guò)西門子MODUBUS協(xié)議、RS485網(wǎng)絡(luò)與變頻器實(shí)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(diǎn)的速度升、降及緊紙、松紙等功能，較理想地滿足紙機(jī)正常工作的需求。

                                圖2系統(tǒng)原理圖
森蘭SB80系列變頻器采用TI推出的32位150MIPS的高速電機(jī)控制專用DSP和自主開(kāi)發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)軟件操作系統(tǒng)；電機(jī)控制理論的先進(jìn)性——轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向和精確磁通觀測(cè)器的閉環(huán)電流矢量控制；整機(jī)設(shè)計(jì)的先進(jìn)性——高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高過(guò)載能力、高速電流限制等。森蘭SB80能滿足各種苛刻工況下的電機(jī)控制，廣泛應(yīng)用于恒轉(zhuǎn)矩控制、位置控制、張力和卷繞控制、紡織應(yīng)用等領(lǐng)域。
3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于以下原則：1  程序模塊化結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，其中負(fù)荷分配、速度增減、初始化、緊紙、速比計(jì)算、校驗(yàn)、數(shù)據(jù)發(fā)送、接收等作為子程序調(diào)用;2  程序采用循環(huán)掃描的方式對(duì)傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行處理，簡(jiǎn)化程序，提高程序執(zhí)行效率;3  采用中斷子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收;確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確快速的傳輸;4 必要的軟件保護(hù)措施，以免造成重大機(jī)械損害。
因此該程序通用性強(qiáng)，可移植性好，使用不同的變頻器，只須進(jìn)行相應(yīng)協(xié)議的格式的定義。即數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、校驗(yàn)程序的相應(yīng)修改即可，滿足紙機(jī)運(yùn)行的需要。主程序流程圖如圖3所示

                      圖3主程序流程圖
3.1 速度鏈設(shè)計(jì)及速差控制   
速度鏈結(jié)構(gòu)采用二叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，完成數(shù)據(jù)傳遞功能。首先對(duì)各傳動(dòng)點(diǎn)位置進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，確定速度鏈中各傳動(dòng)點(diǎn)編號(hào)，此編號(hào)應(yīng)與變頻器內(nèi)部地址一致。然后根據(jù)二叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確定各結(jié)點(diǎn)的上下、左或右編號(hào)。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，填入位置寄存器數(shù)值。如圖4所示。
 
圖4 位置寄存器示意圖
    該傳動(dòng)點(diǎn)速度給變頻器后，訪問(wèn)位置寄存器，確定子寄存器結(jié)點(diǎn)號(hào)，若不為0，則對(duì)該經(jīng)點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)號(hào)，處理另一支鏈。所以只須對(duì)位置寄存器初始化，即可構(gòu)成具有任意分支結(jié)構(gòu)的速度鏈。
算法設(shè)計(jì)采用了調(diào)節(jié)變比的控制方法。如圖五所示，紙機(jī)二壓點(diǎn)作為速度鏈中的主節(jié)點(diǎn)，它的速度就是整個(gè)紙機(jī)的工作車速。在 PLC內(nèi)，我們通過(guò)通信檢測(cè)到車速調(diào)節(jié)信號(hào)則改變車速單元值，同時(shí)送給驅(qū)網(wǎng)、吸移、真壓、一壓分部，其速度值乘以相應(yīng)的速比，即是該傳動(dòng)點(diǎn)的速度運(yùn)行值。若某一分部速度不滿足運(yùn)行要求，說(shuō)明該分部變比不合適，可通過(guò)操作該分部的加速、減速按鈕實(shí)現(xiàn)，PLC檢測(cè)到按鈕信號(hào)后調(diào)整了變比，使其適應(yīng)傳動(dòng)點(diǎn)間的速差控制要求。相當(dāng)于在PLC內(nèi)部有一個(gè)高精度的齒輪變速箱，可以任意無(wú)級(jí)調(diào)速。
若正常生產(chǎn)中變比合適，需要緊紙、松紙操作時(shí)，按下該分部緊紙、松紙按鈕，PLC將對(duì)應(yīng)在速度鏈上附加一正或負(fù)的偏移量則實(shí)現(xiàn)緊紙、松紙功能。同時(shí)送下一級(jí)計(jì)算，依此類推，構(gòu)成速度鏈及速差控制系統(tǒng)。前一級(jí)車速調(diào)整，后面跟隨調(diào)整，后級(jí)調(diào)整不影響前級(jí),適應(yīng)紙機(jī)操作引紙的順序要求。
速度鏈的傳遞關(guān)系由圖5來(lái)體現(xiàn)，由PLC軟件實(shí)現(xiàn)。
 
圖5  紙機(jī)速度鏈結(jié)構(gòu)圖                                                  
3.2 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(guò)載而過(guò)流，而另一傳動(dòng)點(diǎn)則由于被帶動(dòng)而過(guò)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(tái)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。
               M= 
 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(tái)電機(jī)額定功率；
                 M    為負(fù)荷平均期望轉(zhuǎn)矩
PLC通過(guò)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(guò)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(rùn)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變頻器部分主要參數(shù)設(shè)置
  變頻器主要參數(shù)設(shè)置如下表所示，本表適合各系列森蘭變頻器，所以未列出代碼，實(shí)際只需找到相應(yīng)功能設(shè)置好即可：

  對(duì)表中部分參數(shù)注釋如下：加減速時(shí)間，在造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中，由于傳動(dòng)點(diǎn)數(shù)目較多，即變頻器數(shù)量較多，所以負(fù)載不近相同。這就要求加減速時(shí)間設(shè)定不同，對(duì)烘缸類大慣性負(fù)載加減速時(shí)間要長(zhǎng)一些，否則會(huì)導(dǎo)致變頻器過(guò)載報(bào)警，對(duì)其他輥類負(fù)載則加減速時(shí)間可稍短一些。通訊參數(shù)中地址設(shè)定一般從一側(cè)設(shè)置至另一側(cè)，即由1至最后。本表為主要參數(shù)，還有一些其他參數(shù)需據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況作相應(yīng)改動(dòng)，本文不一一復(fù)述。
4  結(jié) 語(yǔ)
造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)既要保持一定的速度一致性，又要有一定的速差。同時(shí)具有機(jī)械相聯(lián)系的傳動(dòng)點(diǎn)又要有負(fù)荷平衡即負(fù)荷分配功能。森蘭SB80系列變頻器具有很高的可靠性和和完善的功能實(shí)現(xiàn)，通過(guò)豐富的參數(shù)組態(tài)與PLC通過(guò)MODUBUS協(xié)議通訊、協(xié)調(diào)工作可滿足中、高速造紙機(jī)對(duì)傳動(dòng)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。
參考文獻(xiàn):
[1]  SIEMENS   STEP7 V5.1  編程手冊(cè)                         西門子股份有限公司    1998
[2]  王丹利  趙景輝 可編程序控制器原理與應(yīng)用               西北工業(yè)大學(xué)出版社  西安 1997.6        
  [3]  森蘭SB80   使用手冊(cè)