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。
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 performance and so on the need.
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(jīng)濟的發(fā)展，制漿造紙業(yè)已經(jīng)成為我國工業(yè)經(jīng)濟增長的重要支柱，早期的造紙生產(chǎn)產(chǎn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)簡圖如圖1示。紙機為1760/250 m/min長網(wǎng)多缸文化紙機，生產(chǎn)40~65g/m2高級文化用紙，穩(wěn)態(tài)精度≤0.01%。
 
圖1 結(jié)構(gòu)簡圖
1.2為了能生產(chǎn)出質(zhì)量標準較高的產(chǎn)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(diào)節(jié)范圍，為了使造紙機具有較強的產(chǎn)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(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)定紙頁的定量和和質(zhì)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(diào)、穩(wěn)定。紙幅在網(wǎng)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(nèi)變化不引起紙頁質(zhì)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(nèi)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(chǎn)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(diào)節(jié)的，為±10~15%。利于工作時調(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(jié)或軟聯(lián)結(jié)的傳動分部，如網(wǎng)部、壓榨部、施膠部，能進行負荷動態(tài)調(diào)節(jié)。防止某點的速度發(fā)生變化而引起負荷在分部內(nèi)動態(tài)轉(zhuǎn)移，如不及時進行自動的調(diào)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(zhuǎn)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(wǎng)、壓榨毛毯、干網(wǎng)以及各分部的運行工況，各分部應有15～50m/min可調(diào)的爬行速度，但不宜在此速度下長時間運行；
（6）  紙機為恒轉(zhuǎn)矩負載性質(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，實現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)的可靠、協(xié)調(diào)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(qū)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(wǎng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(diào)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(jié)構(gòu)采用二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(nèi)部地址一致。然后根據(jù)二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確定各結(jié)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。
 
圖4 位置寄存器示意圖
    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(jié)點號，若不為0，則對該經(jīng)點進行相應處理，直到該鏈完全處理完；再查兄弟寄存器結(jié)點號，處理另一支鏈。所以只須對位置寄存器初始化，即可構(gòu)成具有任意分支結(jié)構(gòu)的速度鏈。
算法設計采用了調(diào)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(nèi)，我們通過通信檢測到車速調(diào)節(jié)信號則改變車速單元值，同時送給驅(qū)網(wǎng)、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(diào)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(nèi)部有一個高精度的齒輪變速箱，可以任意無級調(diào)速。
若正常生產(chǎn)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(gòu)成速度鏈及速差控制系統(tǒng)。前一級車速調(diào)整，后面跟隨調(diào)整，后級調(diào)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)。
 
圖5  紙機速度鏈結(jié)構(gòu)圖                                                  
3.2 負荷分配設計
該紙機傳動結(jié)構(gòu)上有柔性聯(lián)結(jié)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(zhuǎn)矩代替電機功率進行計算。
PLC采樣各分部電機的轉(zhuǎn)矩，計算每一組的總負荷轉(zhuǎn)矩，根據(jù)總負荷轉(zhuǎn)矩計算負載平衡時的期望轉(zhuǎn)矩值。計算平均負荷轉(zhuǎn)矩方法如下公式所示。
               M= 
 其中：      ML1 、ML2 是壓榨、烘缸電機實際輸出轉(zhuǎn)矩； 
                 Pe1 、Pe2 是壓榨、烘缸臺電機額定功率；
                 M    為負荷平均期望轉(zhuǎn)矩
PLC通過Modbus總線得到電機轉(zhuǎn)矩，利用上述原理再施以PID算法，調(diào)節(jié)變頻器的輸出，使兩電機轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，使負荷分配的傳動點組處于子鏈結(jié)構(gòu)上，該部負荷調(diào)整時，不影響其它的傳動點，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、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(diào)工作，以保證系統(tǒng)正常運行和設備安全。
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(cè)設置至另一側(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)場情況作相應改動，本文不一一復述。
4  結(jié) 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(diào)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