摘要 本文應用森蘭SB80系列變頻器和西門子S7-200PLC組成的文化紙機傳動控制系統(tǒng)，通過軟、硬件設計,較好的實現(xiàn)了紙機電氣傳動控制系統(tǒng)中的負荷分配、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、高速紙機的速度、可靠性等控制性能的需要。 關鍵詞 造紙機 森蘭變頻器 傳動系統(tǒng) 設計 keywords paper machine sen lan inverter transmission system design 引言 隨著我國經濟的發(fā)展，制漿造紙業(yè)已經成為我國工業(yè)經濟增長的重要支柱，早期的造紙生產產量較低，對電控沒有太高要求，隨著造紙規(guī)模的擴大，對造紙機的產量及速度要求越來越高，從而對紙機配套電控系統(tǒng)的要求也越來越高.本文采用森蘭SB80系列變頻器和西門子S7-200 PLC組成一套文化紙機傳動控制系統(tǒng)。通過可編程邏輯控制器（PLC）和變頻器之間的通信，控制傳動點的啟動、停止、增速、減速、緊紙等操作，由軟件自動實現(xiàn)負荷分配、速度鏈等功能，充分滿足造紙工藝及電控的需要。 1 紙機對電氣傳動控制系統(tǒng)的要求 1．1 該機結構簡圖如圖1示。紙機為1760/250 m/min長網多缸文化紙機，生產40～65g/m2高級文化用紙，穩(wěn)態(tài)精度≤0.01%。 圖1 結構簡圖 1.2為了能生產出質量標準較高的產品，紙機對電氣傳動系統(tǒng)提出如下的要求： （1） 紙機工作速度要有較大的調節(jié)范圍，為了使造紙機具有較強的產品、原料的適應性（如打漿度、漿料配比與種類、定量、紙種等），紙機傳動可在較大的范圍內均勻的調節(jié)速度，調節(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)定紙頁的定量和和質量、減少紙幅斷頭，要求紙機穩(wěn)速精度為±0.05～0.01%； （3） 速差控制，速比可調、穩(wěn)定。紙幅在網部和壓榨部時，其縱向伸長橫向收縮，而在烘干部時，兩向都收縮，因此紙機各分部的線速度稍有差異，即速差。速差在一定范圍內變化不引起紙頁質量的突變。此時的速差對成紙來說，主要影響紙頁的克重。誤差應控制在0.1%以內保持紙張不被拉斷。紙機各分部的速比的最大波動值與漿料配比、定量、車速、生產工藝、紙頁收縮率及分部之間的紙幅無承托引段的張力等因素有關。因此，造紙機各相鄰分部間應有適當?shù)乃俨顏硇纬闪己玫募堩?。紙機各分部的速度必須是可以調節(jié)的，為±10～15%。利于工作時調整。為了生產較高質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） 各分部點具有速度微升、微降功能，引紙操作時的緊紙、松紙功能。具有剛性聯(lián)結或軟聯(lián)結的傳動分部，如網部、壓榨部、施膠部，能進行負荷動態(tài)調節(jié)。防止某點的速度發(fā)生變化而引起負荷在分部內動態(tài)轉移，如不及時進行自動的調節(jié)（因為現(xiàn)在使用的變頻器基本上都不具備長期四象限運行能力），有的傳動點負載可能超過它自身的功率范圍引起過流發(fā)生，有的傳動點被拖動而引起過高的泵升電壓，導致變頻器過壓而保護跳閘，甚至損壞變頻器和損壞毛布。同時在這些分部中，應具有單動、聯(lián)動功能，并可以同時起動、停止。必要的顯示功能，如線速度、電流或轉矩、運行信號、故障信號等； （5） 爬行速度。 為了檢修和清洗聚酯網、壓榨毛毯、干網以及各分部的運行工況，各分部應有15～50m/min可調的爬行速度，但不宜在此速度下長時間運行； （6） 紙機為恒轉矩負載性質，要選擇具有恒轉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，實現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)的可靠、協(xié)調的控制，以滿足紙機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 。該紙機傳動系統(tǒng)采用由S7-226小型PLC作為系統(tǒng)的控制中心；由功能較強大的森蘭SB80系列變頻器為驅動單元，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MODUBUS協(xié)議、RS485網絡與變頻器實現(xiàn)速度鏈功能、速差控制、負荷分配功能、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的高速電機控制專用DSP和自主開發(fā)的嵌入式實時軟件操作系統(tǒng)；電機控制理論的先進性——轉子磁場定向和精確磁通觀測器的閉環(huán)電流矢量控制；整機設計的先進性——高啟動轉矩、高過載能力、高速電流限制等。森蘭SB80能滿足各種苛刻工況下的電機控制，廣泛應用于恒轉矩控制、位置控制、張力和卷繞控制、紡織應用等領域。 3 控制系統(tǒng)軟件設計 控制系統(tǒng)的軟件設計基于以下原則：1 程序模塊化結構化設計，其中負荷分配、速度增減、初始化、緊紙、速比計算、校驗、數(shù)據(jù)發(fā)送、接收等作為子程序調用;2 程序采用循環(huán)掃描的方式對傳動點進行處理，簡化程序，提高程序執(zhí)行效率;3 采用中斷子程序進行數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收;確保數(shù)據(jù)的準確快速的傳輸;4 必要的軟件保護措施，以免造成重大機械損害。 因此該程序通用性強，可移植性好，使用不同的變頻器，只須進行相應協(xié)議的格式的定義。即數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、校驗程序的相應修改即可，滿足紙機運行的需要。主程序流程圖如圖3所示 圖3主程序流程圖 3.1 速度鏈設計及速差控制 速度鏈結構采用二叉樹數(shù)據(jù)結構算法，完成數(shù)據(jù)傳遞功能。首先對各傳動點位置進行數(shù)學抽象，確定速度鏈中各傳動點編號，此編號應與變頻器內部地址一致。然后根據(jù)二叉樹數(shù)據(jù)結構，確定各結點的上下、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，填入位置寄存器數(shù)值。如圖4所示。 該傳動點速度給變頻器后，訪問位置寄存器，確定子寄存器結點號，若不為0，則對該經點進行相應處理，直到該鏈完全處理完；再查兄弟寄存器結點號，處理另一支鏈。所以只須對位置寄存器初始化，即可構成具有任意分支結構的速度鏈。 算法設計采用了調節(jié)變比的控制方法。如圖五所示，紙機二壓點作為速度鏈中的主節(jié)點，它的速度就是整個紙機的工作車速。在 PLC內，我們通過通信檢測到車速調節(jié)信號則改變車速單元值，同時送給驅網、吸移、真壓、一壓分部，其速度值乘以相應的速比，即是該傳動點的速度運行值。若某一分部速度不滿足運行要求，說明該分部變比不合適，可通過操作該分部的加速、減速按鈕實現(xiàn)，PLC檢測到按鈕信號后調整了變比，使其適應傳動點間的速差控制要求。相當于在PLC內部有一個高精度的齒輪變速箱，可以任意無級調速。 若正常生產中變比合適，需要緊紙、松紙操作時，按下該分部緊紙、松紙按鈕，PLC將對應在速度鏈上附加一正或負的偏移量則實現(xiàn)緊紙、松紙功能。同時送下一級計算，依此類推，構成速度鏈及速差控制系統(tǒng)。前一級車速調整，后面跟隨調整，后級調整不影響前級,適應紙機操作引紙的順序要求.速度鏈的傳遞關系由圖5來體現(xiàn)，由PLC軟件實現(xiàn)。 3.2 負荷分配設計 該紙機傳動結構上有柔性聯(lián)結的傳動點，烘缸部和壓榨部。它們之間不僅要求速度同步還需要負載率均衡，否則會造成一個傳動點由于過載而過流，而另一傳動點則由于被帶動而過壓，影響正常抄紙，甚至可能撕壞毛布，損壞變頻器、機械設備。因此這兩個傳動部分的傳動點之間需要負荷分配自動控制。 負荷分配工作原理：假設P1e、P2e為兩臺電機額定功率，Pe為額定總負載功率，Pe= P1e+P2e 。P為實際總負載功率，P1、P2為電機實際負載功率，則P= P1+ P2。系統(tǒng)工作要求 P1=P＊P1e/Pe ，P2=P＊P2e/Pe，兩個值相差≤3%。 由于電機功率是一間控制接量。實際控制以電機定子轉矩代替電機功率進行計算。 PLC采樣各分部電機的轉矩，計算每一組的總負荷轉矩，根據(jù)總負荷轉矩計算負載平衡時的期望轉矩值。計算平均負荷轉矩方法如下公式所示。 其中： ML1 、ML2 是壓榨、烘缸電機實際輸出轉矩； Pe1 、Pe2 是壓榨、烘缸臺電機額定功率； M 為負荷平均期望轉矩 PLC通過Modbus總線得到電機轉矩，利用上述原理再施以PID算法，調節(jié)變頻器的輸出，使兩電機轉矩百分比一致。即完成負荷自動分配的目標。 設置最大限幅值，如果負荷偏差超過該設定值，要停機處理，以防機械、電氣損害發(fā)生。負荷分配控制實現(xiàn)的前提是合理的速度鏈結構，使負荷分配的傳動點組處于子鏈結構上，該部負荷調整時，不影響其它的傳動點，因此速度鏈結構是采用主鏈與子鏈相結合的形式。 3.3輔助控制的機、電、液一體化設計 輔助部分的機、電、液一體化、連鎖及保護、卷紙機自動換卷控制、稀油站潤滑系統(tǒng)等輔助電氣系統(tǒng)協(xié)調工作，以保證系統(tǒng)正常運行和設備安全。 3.4變頻器部分主要參數(shù)設置 變頻器主要參數(shù)設置如下表所示，本表適合各系列森蘭變頻器，所以未列出代碼，實際只需找到相應功能設置好即可： 對表中部分參數(shù)注釋如下：加減速時間，在造紙機傳動系統(tǒng)中，由于傳動點數(shù)目較多，即變頻器數(shù)量較多，所以負載不近相同。這就要求加減速時間設定不同，對烘缸類大慣性負載加減速時間要長一些，否則會導致變頻器過載報警，對其他輥類負載則加減速時間可稍短一些。通訊參數(shù)中地址設定一般從一側設置至另一側，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)場情況作相應改動，本文不一一復述。 4 結 語 造紙機傳動系統(tǒng)各個傳動點既要保持一定的速度一致性，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荷平衡即負荷分配功能。森蘭SB80系列變頻器具有很高的可靠性和和完善的功能實現(xiàn)，通過豐富的參數(shù)組態(tài)與PLC通過MODUBUS協(xié)議通訊、協(xié)調工作可滿足中、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。 參考文獻: [1] SIEMENS STEP7 V5.1 編程手冊 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用 西北工業(yè)大學出版社 西安 1997.6 [3] 森蘭SB80 使用手冊