基于DeviceNet的紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

邢艷榮 秦佳偉

(1.烏海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 烏海，016000;2.內(nèi)蒙古君正能源化工股份有限公司，內(nèi)蒙古 烏海，016000)

目前國內(nèi)造紙行業(yè)中部分紙機(jī)生產(chǎn)工藝較落后、電氣自動化程度不高、能耗高、故障率高、生產(chǎn)效率低。在紙機(jī)傳動控制方面，為了提高傳動控制系統(tǒng)自動化程度，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，筆者結(jié)合紙機(jī)的先進(jìn)工藝和紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及調(diào)試方法，設(shè)計(jì)出基于DeviceNet通信的紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)，該紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)已在河北邢臺某造紙廠和浙江金華某造紙廠的紙機(jī)傳動系統(tǒng)中應(yīng)用。經(jīng)過客戶回訪、調(diào)查，該控制系統(tǒng)運(yùn)行良好、能耗低、故障率低、受到廣泛好評。本文對該系統(tǒng)進(jìn)行介紹，以供參考。

1 DeviceNet簡介

DeviceNet是簡單、廉價(jià)、高效、適用于設(shè)備層的現(xiàn)場總線技術(shù)。它將可編程控制器、變頻器、檢測設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等工業(yè)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，降低了設(shè)備硬件接線的成本。其優(yōu)越的直接互連性改善了設(shè)備間的通信，提供了設(shè)備級診斷功能。DeviceNet網(wǎng)絡(luò)最大可連接64個節(jié)點(diǎn)，通信波特率包括125 kbps、250 kbps和500 kbps 3種。設(shè)備可由DeviceNet總線供電(最大總電流8 A)或使用獨(dú)立電源供電[1-2］。DeviceNet的特點(diǎn)和功能如表1所示。

2 紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)以河北邢臺某造紙廠工程為例，按照紙機(jī)設(shè)計(jì)方案及客戶要求，紙機(jī)幅寬4600 mm，設(shè)計(jì)車速400 m/min。紙機(jī)傳動點(diǎn)設(shè)計(jì)個數(shù)為18組，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)容量1800 kW。傳動點(diǎn)名稱及電機(jī)容量如表2所示。

表1 DeviceNet的特點(diǎn)和功能

經(jīng)過綜合對比，本紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)采用1769-L35E CPU作為總控制器，1769-SDN(兩個)作為DeviceNet的通信模塊，2711K7C4D8操作屏作為人機(jī)界面，采用PF700變頻器作為各傳動單元，變頻器通信模塊選用20-COMM-D網(wǎng)絡(luò)適配器。PLC與傳動單元之間采用DeviceNet進(jìn)行通信，上位機(jī)、人機(jī)界面與PLC之間采用EtherNet/IP進(jìn)行通信。使用RSLinx組態(tài)軟件、RSNetworx For DeviceNet組態(tài)軟件、RS5000編程軟件對紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件通信組態(tài)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

表2 傳動點(diǎn)名稱及電機(jī)容量

2.2 可編程控制器硬件接線

為了提高設(shè)備整體安全系數(shù)，監(jiān)控設(shè)備總體運(yùn)行情況，將影響紙機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行的一切因素考慮在內(nèi)，增加紙機(jī)連鎖控制，提高自動化程度，成為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)之關(guān)鍵。本系統(tǒng)可編程控制器擴(kuò)展模塊數(shù)字輸入32點(diǎn)、數(shù)字輸出32點(diǎn)、模擬輸入4組 (備用)、模擬輸出2組 (備用)。硬件接線設(shè)計(jì)數(shù)字量輸入如圖2所示。數(shù)字量輸出接線如圖3所示。

2.3 PF700變頻器硬件接線

根據(jù)紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，18組傳動點(diǎn)變頻器接線大體相同，如圖4所示。

PF700變頻器硬件接線包括主電機(jī)、電機(jī)風(fēng)機(jī)、編碼器、控制端子、DeviceNet通信等接線。PF700變頻器的主電源輸入來自傳動系統(tǒng)DSU整流柜，使用DSU整流柜供電可避免觸發(fā)脈沖給周圍電氣設(shè)備 (如整流變壓器等)帶來的諧波干擾，使設(shè)備正常工作[2］。

3 傳動控制系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)設(shè)計(jì)

圖4 PF700硬件接線圖

本系統(tǒng)人機(jī)界面、上位機(jī)和PLC之間采用EtherNet/IP進(jìn)行通信;各傳動單元和PLC之間采用DeviceNet進(jìn)行通信。本文重點(diǎn)介紹DeviceNet通信硬件組態(tài)，使用RSLinx軟件、RSNetworx For DeviceNet軟件和RS5000編程軟件進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)。軟件組態(tài)設(shè)計(jì)分為5個步驟。第一步:打開RSLinx軟件，添加工業(yè)以太網(wǎng)驅(qū)動，然后通過RSLinx通信軟件掃描到以太網(wǎng)上所帶有的設(shè)備，可以清楚地看到網(wǎng)絡(luò)是否暢通，并且可以看到每個硬件的節(jié)點(diǎn)及槽位，如圖5所示。

圖5 RSLinx掃描設(shè)備圖

第二步:打開RS5000軟件，新建項(xiàng)目，添加PLC的拓展模塊，型號及槽號必須和實(shí)際硬件相匹配。將創(chuàng)建好的項(xiàng)目下載到PLC并運(yùn)行，RSlogix 5000編程軟件自動生成標(biāo)簽，如圖6所示。

第三步:打開RSWorx for DeviceNet軟件，點(diǎn)擊online按鈕，選擇通信路徑。選中DeviceNet網(wǎng)絡(luò)并運(yùn)行，組態(tài)軟件便會自動掃描所有接入DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)備，如圖7所示。

第四步:雙擊掃描出的硬件圖標(biāo)彈出對話框，選擇Module選項(xiàng)，上載網(wǎng)絡(luò)并建立PF700變頻器EDS文件[2］。等上載完成后，在參數(shù)列表中進(jìn)行所需的更改并保存，如圖8所示。

圖6 RS5000軟件硬件組態(tài)圖

圖7 DeviceNet網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備掃描圖

圖8 DeviceNet設(shè)備對話框

第五步:將組態(tài)程序下載，并將1769-SDN置于RUN狀態(tài)。通過RS5000軟件通過查看標(biāo)簽，驗(yàn)證通信是否正常，如圖9所示。

圖9 硬件組態(tài)創(chuàng)建標(biāo)簽圖

3.2 控制系統(tǒng)傳動點(diǎn)速度鏈設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)精度高、穩(wěn)定性好、操作方便的數(shù)字式控制系統(tǒng)速度鏈，必須研究速度鏈的控制原理。兩個相鄰傳動點(diǎn)的運(yùn)行速度應(yīng)保持一定的比例，在車速調(diào)整過程中，只影響本傳動點(diǎn)和后面的傳動點(diǎn)，而不影響前面各傳動點(diǎn)的速度，每個傳動點(diǎn)在前一級傳動點(diǎn)速度基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整并將速度給定信號傳送給下級傳動點(diǎn)，形成一個鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，稱為速度鏈。根據(jù)紙機(jī)傳動控制要求，傳動控制速度鏈精度應(yīng)在0.01% ～0.04%之間，這與紙幅的伸縮率有關(guān) 。本系統(tǒng)速度鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)法，完成速度鏈傳遞功能。首先對各傳動點(diǎn)控制工藝進(jìn)行分析，確定傳動點(diǎn)在速度鏈中的具體位置和作用，然后對設(shè)計(jì)好的速度鏈中的傳動點(diǎn)進(jìn)行通信地址設(shè)置，并準(zhǔn)確記錄地址號碼[3-4］。本系統(tǒng)進(jìn)過現(xiàn)場工藝情況分析，速度鏈設(shè)計(jì)如圖10所示。

此系統(tǒng)中驅(qū)網(wǎng)輥?zhàn)鳛樗俣孺溨械闹鱾鲃庸?jié)點(diǎn)，它的速度是整個傳動控制系統(tǒng)的工作車速，在控制系統(tǒng)的人機(jī)界面，改變驅(qū)網(wǎng)輥的運(yùn)行車速給定值，就調(diào)節(jié)了整個紙機(jī)車速。驅(qū)網(wǎng)輥的速度給定值傳送給它的兩個從點(diǎn)真空伏輥、導(dǎo)網(wǎng)輥和下一分部主點(diǎn)一壓下輥。從點(diǎn)真空伏輥和導(dǎo)網(wǎng)輥根據(jù)現(xiàn)場工藝情況，在人機(jī)界面通過速度微升微降調(diào)節(jié)，達(dá)到從點(diǎn)速度調(diào)節(jié)的目的。下一分部主點(diǎn)一壓下輥得到驅(qū)網(wǎng)輥的速度值，也通過人機(jī)界面進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，得到一壓下輥的速度給定值。一壓下輥將速度給定值傳送到自己的兩個從點(diǎn):一壓上輥、真空吸移輥和下一分部主點(diǎn)二壓下輥。一壓上輥和真空吸移輥通過人機(jī)界面速度微升微降進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到從點(diǎn)速度調(diào)節(jié)的目的[3-4］。就這樣依次類推，實(shí)現(xiàn)了整個速度鏈的速度給定和調(diào)節(jié)，構(gòu)成了速度鏈控制系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)原理如圖11所示。

3.3 主從傳動點(diǎn)負(fù)荷分配設(shè)計(jì)

圖12 負(fù)荷分配控制原理

表3 變頻器部分參數(shù)

在紙機(jī)運(yùn)行過程中，有幾臺電機(jī)同時拖動同一負(fù)載的現(xiàn)象，如網(wǎng)部真空伏輥、驅(qū)網(wǎng)輥、導(dǎo)網(wǎng)輥同時拖動一條成形網(wǎng)。這樣的傳動系統(tǒng)如果只要求速度完全同步并不能滿足工藝要求，各傳動點(diǎn)電機(jī)必須出力相同，否則會出現(xiàn)傳動點(diǎn)電機(jī)負(fù)載不一，甚至電動機(jī)成為發(fā)電機(jī)的情況，影響正常抄紙，甚至有可能撕壞毛布或造成斷紙[5］。針對此問題，必須設(shè)計(jì)傳動點(diǎn)主點(diǎn)和從點(diǎn)負(fù)荷分配。紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)的負(fù)荷分配要求系統(tǒng)速度穩(wěn)定、分配平衡、穩(wěn)定無振蕩、能夠隨時適應(yīng)負(fù)載變化。本系統(tǒng)采用PLC+變頻器二級傳動控制方式，PLC與變頻器通過DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通信，交換數(shù)據(jù)。負(fù)荷分配的設(shè)計(jì)原則是主點(diǎn)和從點(diǎn)電機(jī)的負(fù)載率相同，即δ=P/Pa相同 (P為電機(jī)所承擔(dān)的負(fù)載功率，Pa為電機(jī)額定功率)。在負(fù)荷分配調(diào)節(jié)過程中不能影響本傳動組以外各分部的速度。PLC通過通信讀取主點(diǎn)和從點(diǎn)變頻器的實(shí)際轉(zhuǎn)矩反饋值，將實(shí)際轉(zhuǎn)矩反饋值進(jìn)行比較，計(jì)算出從點(diǎn)的速度給定值，再通過DeviceNet通信將從點(diǎn)速度給定值傳送到各從點(diǎn)變頻器，以加大或減小從點(diǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，使形成負(fù)荷分配的主點(diǎn)和從點(diǎn)轉(zhuǎn)矩相同，達(dá)到負(fù)荷分配的目的，此設(shè)計(jì)方法控制精度高，工作可靠。負(fù)荷分配控制原理如圖12所示。

3.4 PF700變頻器參數(shù)設(shè)置說明

各傳動點(diǎn)的PF700變頻器參數(shù)設(shè)置基本一致，主要實(shí)現(xiàn)速度控制或轉(zhuǎn)矩限幅控制，通過DeviceNet進(jìn)行通信，達(dá)到精確控制電機(jī)的目的。以驅(qū)網(wǎng)輥為例，變頻器的部分參數(shù)設(shè)置如表3所示。

4 結(jié)語

基于DeviceNet通信方式的紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)，通信響應(yīng)速度快，運(yùn)行穩(wěn)定可靠;通過硬件設(shè)計(jì)和軟件編程實(shí)現(xiàn)了紙機(jī)連鎖控制，大大提高了傳動控制的自動化程度;科學(xué)合理的速度鏈設(shè)計(jì)和負(fù)荷分配設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)在運(yùn)行中速度穩(wěn)定、負(fù)載分配合理、很大程度上減少斷紙。此控制系統(tǒng)完全符合現(xiàn)代紙機(jī)自動化的設(shè)計(jì)要求，在工程運(yùn)行中，客戶反映良好。

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