造紙傳動(dòng)系統(tǒng)電氣自動(dòng)化及變頻調(diào)速控制應(yīng)用研究

黃開森

（聯(lián)盛漿紙（漳州）有限公司維修部，福建 漳州 363000）

該系統(tǒng)研究的是全方位多學(xué)科及信息技術(shù)的相互融合，主要包括工藝特性、軟硬件技術(shù)設(shè)計(jì)、理論技術(shù)、自動(dòng)化及通信技術(shù)等領(lǐng)域。通過對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的深入研究和應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)造紙傳動(dòng)自動(dòng)化及行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是未來的重要發(fā)展方向。

1 造紙?jiān)O(shè)備與傳動(dòng)技術(shù)要求

1.1 工藝設(shè)備簡(jiǎn)單介紹

造紙?jiān)O(shè)備主要包括原料準(zhǔn)備、制漿、造紙、直到制成卷筒或平張成品，以及加工紙和紙板的機(jī)械等。其中造紙機(jī)紙漿形成紙幅的分部聯(lián)動(dòng)全套設(shè)備，包括流漿箱、網(wǎng)部、壓榨部、烘干部、施膠機(jī)、壓光機(jī)、卷取部和傳動(dòng)設(shè)備等主機(jī)以及汽、水、真空、潤(rùn)滑、熱回收等輔助系統(tǒng)。其中形成濕紙幅的網(wǎng)部是造紙機(jī)的核心，所以造紙機(jī)按網(wǎng)部的結(jié)構(gòu)又可分為長(zhǎng)網(wǎng)機(jī)、夾網(wǎng)機(jī)、圓網(wǎng)機(jī)、疊網(wǎng)機(jī)和帶有飾面輥等形式結(jié)構(gòu)。

1.2 自動(dòng)化控制對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的要求及應(yīng)用

基本要求為以下幾點(diǎn)：（1）工作速度調(diào)節(jié)范圍要求較寬且均勻，可適應(yīng)不同紙種、定量的生產(chǎn)需要，調(diào)節(jié)范圍在i=1:10。（2）具備一定的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)精度，其精度分別為±0.01%～0.02%，0.05%～0.1%。（3）爬行速度：為便于清洗檢查網(wǎng)毯、以及檢查各部設(shè)備運(yùn)行情況，各分部應(yīng)具備15～30m/min分可調(diào)的爬行速度。（4）各傳動(dòng)點(diǎn)間速比可調(diào)、穩(wěn)定。為了紙機(jī)能夠生產(chǎn)出良好的紙幅和提高紙機(jī)穩(wěn)定生產(chǎn)效率，紙機(jī)各傳動(dòng)點(diǎn)的速度必須是可調(diào)、穩(wěn)定，各分部傳動(dòng)點(diǎn)的調(diào)速范圍為±8%～10%。

2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)優(yōu)異性及控制方式

變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中越來越受到重視，其在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。相比傳統(tǒng)的電阻調(diào)速、直流調(diào)速和電壓調(diào)速，變頻調(diào)速采用V/F、矢量控制(VC)、直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)等方式，具備有高穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

2.1 變頻調(diào)速具有的特點(diǎn)

（1）效率高、平滑性好，啟動(dòng)電流小，低速時(shí)靜關(guān)率高，對(duì)電網(wǎng)和系統(tǒng)無沖擊，節(jié)能效果突出。（2）調(diào)速范圍較寬，精度高，可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)及快速制動(dòng)。（3）能夠擴(kuò)大容量，實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速和高電壓運(yùn)行。（4）體積小及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便和慣量小且耐用。（5）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)低段速電機(jī)的過負(fù)荷能力低。

2.2 變頻系統(tǒng)的控制方式

紙機(jī)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)是一種轉(zhuǎn)速、負(fù)載要求基本恒定的控制系統(tǒng)，從特性上其可分為三種基本控制方式：轉(zhuǎn)矩、張力、速度，并要求調(diào)速穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，其主要控制方式如下：（1）轉(zhuǎn)矩控制是指同一張網(wǎng)子的傳動(dòng)點(diǎn)間、上下壓榨輥間及多電機(jī)傳動(dòng)組間的負(fù)荷分配控制。①負(fù)荷平衡控制的本質(zhì)：在傳動(dòng)系統(tǒng)中，2臺(tái)或者2臺(tái)以上電機(jī)，同時(shí)帶動(dòng)同一個(gè)負(fù)載，使得2臺(tái)（或者多臺(tái)）電機(jī)出力相同，即電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩相同，最后驅(qū)動(dòng)負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行的控制方法。②控制原理是利用兩輥閉合信號(hào)的切入，在從動(dòng)點(diǎn)的給定速度通道上疊加2%左右的調(diào)節(jié)量，引用主傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出作為從傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩限幅控制；如果兩輥分離則切除從動(dòng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩控制，變成閉環(huán)速度控制。③負(fù)荷平衡的機(jī)械耦合形式：剛性連接（提升機(jī)、直連），齒輪嚙合（回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、減速機(jī)），柔性連接（皮帶機(jī)、網(wǎng)子拖動(dòng)）。（2）張力分為直接和間接張力2種控制方式，主要通過調(diào)整分部速度來調(diào)節(jié)紙幅的張力大小，根據(jù)工藝現(xiàn)場(chǎng)需求在施膠和壓光前安裝張力檢測(cè)傳感器，PLC根據(jù)張力的檢測(cè)實(shí)際值做PID控制，其輸出作為其后傳動(dòng)電機(jī)的微調(diào)速度值，從而確保紙頁的張力穩(wěn)定性。（3）速度控制是利用編碼器信號(hào)反饋進(jìn)行速度閉環(huán)控制，分為兩種形式：①主速度控制是用來調(diào)節(jié)整機(jī)速度，比如，網(wǎng)部的驅(qū)網(wǎng)輥常用此方式控制；②速差控制，比如，烘缸組間，是在速度給定通道上增加一個(gè)速差給定值，通常在操作面板上進(jìn)行人工操作調(diào)節(jié)。

3 漿紙變頻傳動(dòng)應(yīng)用案例分析

3.1 工藝簡(jiǎn)介

造紙漿紙的苛化及水泥廠都有石灰回轉(zhuǎn)窯，回轉(zhuǎn)窯中鋪耐火磚，回轉(zhuǎn)窯在不斷地旋轉(zhuǎn)，石灰石在窯爐中進(jìn)行加熱處理，控制回轉(zhuǎn)窯旋轉(zhuǎn)的電機(jī)一般為2臺(tái)；若是采用一套S120控制2臺(tái)電機(jī)，該方案的主從控制比較容易實(shí)現(xiàn)；考慮性價(jià)比本案采用2臺(tái)G130變頻器控制2臺(tái)回轉(zhuǎn)窯電機(jī)，通過齒輪實(shí)現(xiàn)剛性連接，電機(jī)之間作主從控制。

3.2 項(xiàng)目配置

回轉(zhuǎn)窯2臺(tái)電機(jī)配置：690V,400kW,993rpm；不帶編碼器；2臺(tái)G130變頻器分別控制兩臺(tái)電機(jī)，變頻器為690V450KW；2臺(tái)變頻器之間通過CBE20，采用SINAMIC LINK進(jìn)行通訊；s7-400/DCS通過Profibus進(jìn)行控制。

3.2.1 驅(qū)動(dòng)組態(tài)

（1）配置master、slave變頻器正常組態(tài)，并對(duì)電機(jī)進(jìn)行靜態(tài)與動(dòng)態(tài)識(shí)別，注意在調(diào)試過程中必須將聯(lián)軸器脫開，確認(rèn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向正確。

（2）SINAMICS LINK配置。

①SINAMICS Link的基本規(guī)則。利用安裝CBE20控制板，sinamics Link 可實(shí)現(xiàn)多個(gè)（CU320-2 DP控制單元）間的直接數(shù)據(jù)交換，并可實(shí)現(xiàn)以下幾種應(yīng)用：一是物料線的驅(qū)動(dòng)連接負(fù)荷分配；二是多個(gè)傳動(dòng)裝置設(shè)定值的層疊；三是整流單元間的主/從控制功能；四是多個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩分配。

sinamics S120及DC-master的連接以及數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

慣用的節(jié)點(diǎn)包含帶有CU連接的驅(qū)動(dòng)對(duì)象(DO)和控制單元，sinamics link的報(bào)文為16個(gè)固定的過程數(shù)據(jù)空間(pzd)，每個(gè)pzd的字節(jié)長(zhǎng)度為一個(gè)，沒有需要的部分就填零表示。

圖1

每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一組16個(gè)pzd的報(bào)文，可接收或發(fā)送單字/雙字，一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元在每個(gè)連接的其他DO處,最多只可接收16個(gè)pzd，雙字須為2個(gè)連續(xù)的pzds。當(dāng)使用sinamics link通訊 時(shí)，傳送時(shí)間可為3.0ms（一個(gè)周期最大0.5ms，總線周期2.0ms）。

②拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)。1)連續(xù)性編號(hào)，期間不允許有間隔。2)將不相同的節(jié)點(diǎn)編號(hào)錄入?yún)?shù)P8836[0...63] 中。3)配置通訊時(shí)，特殊節(jié)點(diǎn)的站名稱及IP地址，經(jīng)過分配的編號(hào)節(jié)點(diǎn)被自動(dòng)設(shè)置同時(shí)不可被修改。（169.254.123.001～169.254.123.064、SINAMICSxLINKx001～SINAMICSxLINKx064)。d連接CBE20時(shí)他的端口使用要求，按照n節(jié)點(diǎn)的Port2(P2)一直與n+1節(jié)點(diǎn)的Port1(P1)相連接。e同步主的通訊節(jié)點(diǎn)鏈接編號(hào)自動(dòng)被分配為1。

③調(diào)試及配置過程。當(dāng)調(diào)試測(cè)試時(shí)，控制單元需要進(jìn)行以下設(shè)置：1)將參數(shù)設(shè)置成P8835=3(sinamics Link)；2)利用參數(shù)P8836，將節(jié)點(diǎn)分配的編號(hào)(第一單元分配編號(hào)為1)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)是0則表示sinamics Link 被關(guān)閉；3)最后來執(zhí)行掉電后的再上電。

數(shù)據(jù)發(fā)送過程：1)對(duì)每一個(gè)驅(qū)動(dòng)對(duì)象，在參數(shù)P8871中，參數(shù)分配發(fā)送到其節(jié)點(diǎn)的槽中，對(duì)于雙字的(如Pzd 2+3)被分配到連續(xù)兩個(gè)傳送槽，如P8871[2] =3，P8871[1] =2。2)對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)對(duì)象，在參數(shù)P2051[x] 中傳送的數(shù)據(jù)(Pzds)被指定，送傳雙字的要在P2061[x] 中指定。

接收數(shù)據(jù)過程如下：1)控制字是數(shù)據(jù)接收的第一個(gè)字，他的Bit 10要為1，如果不是則設(shè)置P2037=2不激活Bit 10的評(píng)價(jià)。2)相關(guān)Pzd節(jié)點(diǎn)地址被讀取他定義在參數(shù)P8872[0…15] 當(dāng)中(0表示不讀取)。3)在參數(shù)R2050[X] 和R2060[X] 中表示數(shù)據(jù)接收被存貯值。d從報(bào)文發(fā)送中讀取哪個(gè)Pzd數(shù)據(jù)并被存貯在其自已的服務(wù)槽中，用參數(shù)P8870[0…15] 來定義，R2060用于雙字Pzd或R2050用于Pzd(0表示無選擇的Pzd)。

讀取兩個(gè)Pzd針對(duì)于雙字,如果讀1個(gè)32Bit的設(shè)定值，那么位于節(jié)點(diǎn)5的Pzd 2+3要設(shè)置以下參數(shù)P8872[2] =5、P8870[2] =3、P8872[1] =5、P8870[1] =2。sinamics Link連接的激活，要對(duì)所有的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行掉電，之后再進(jìn)行上電，如果不執(zhí)行掉電再上電，則2061[X] 和P2051[X] 的分配及參數(shù)讀取，參數(shù)2060[X] 和R2050[X] 的鏈接會(huì)被改變分配。

3.2.2 本案實(shí)際配置，主站速度模式，從站力矩模式

A.SINAMICS LINK配置

主站配置：P8835=3（SINAMICS LINK），P8836=1（主站賬號(hào)）

P8839.0=2；通訊板，P8839.1=1控制單元通訊口。

P8872.0=2；P8872.1=2接收數(shù)據(jù)站點(diǎn)。

P8871.0=1；P8871.1=2接收數(shù)據(jù)順序號(hào)。

P2050.0=r898；控制字狀態(tài)，P2050.1=r79轉(zhuǎn)矩設(shè)定值。

從站配置：P8835=3（SINAMICS LINK），P8836=2（從站賬號(hào)）

P8839.0=2；通訊板，P8839.1=1 控制單元通訊口

P8872.0=1；P8872.1=1 接收數(shù)據(jù)站點(diǎn)

P8871.0=1；P8871.1=2 接收數(shù)據(jù)順序號(hào)

P2050.0=r899 狀態(tài)字，P2050.1=r80 轉(zhuǎn)矩實(shí)際值

B.DCS中Profibus控制設(shè)置

主站配置：P0840=8890.0 IF2通訊口，P1070=8850.1 IF2通訊口

P8851.0=2089 ，P8851.1=r63.1，P8851.2=r68.1

P8851.3=r80.1，P8851.4=r82.1，P8851.5=r2131

從站配置：P0840=2090.0 （SINAMICS LINK）

P1503=2050.1 （轉(zhuǎn)矩設(shè)定值），P8851.0=2089

P8851.1=r63.1，P8851.2=r68.1，P8851.3=r80.1

P8851.4=r82.1，P8851.5=r2131

P8812.0=0關(guān)閉等時(shí)同步模式

項(xiàng)目測(cè)試：運(yùn)行變頻器對(duì)速度、電流進(jìn)行trace，變頻器運(yùn)行平穩(wěn)；主從方式還可以通過TM31進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，也可以完成相應(yīng)的功能；主站CU P2051.0=vector.r899，從站vector.p0840=CU 2090.2，從站P2144=1；不檢測(cè)堵轉(zhuǎn)。

本案采用西門子G130系列變頻傳動(dòng)，通過S7-400系列PLC控制下，變頻器驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)窯電機(jī)，旋轉(zhuǎn)后通過減速機(jī)減速，經(jīng)齒輪實(shí)現(xiàn)了剛性連接帶動(dòng)負(fù)載傳動(dòng)點(diǎn)，以Win CC監(jiān)控操作軟件為平臺(tái)，建立了具有比較完善的自控功能，并對(duì)系統(tǒng)的可操作性進(jìn)行了優(yōu)化分析。

4 結(jié)語

本文結(jié)合傳動(dòng)控制案例，重點(diǎn)闡述了變頻傳動(dòng)控制方式及自動(dòng)化系統(tǒng)軟件設(shè)置要求，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化可以很好地對(duì)傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行主從控制、負(fù)荷分配，同時(shí)可以對(duì)線速度以及負(fù)載電流、電壓等進(jìn)行有效的監(jiān)控與控制，這對(duì)提高傳動(dòng)的自動(dòng)化程度、操作的靈活性以及提高生產(chǎn)穩(wěn)定性具有非常重要的作用。