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      基于ABB變頻器的造紙機傳動系統(tǒng)設(shè)計 
      
						
      閱讀：199發(fā)布時間：2008-05-07
      
					
      
					
      
						
        
							
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      摘要:介紹了應(yīng)用ABB ACS800 變頻器設(shè)計的造紙機電氣傳動控制系統(tǒng)。通過對硬件、軟件的設(shè)計———負荷分配、速度鏈設(shè)計等問題進行較為詳細地描述，較好地實現(xiàn)了系統(tǒng)控制要求。這種基于PLC和變頻器的全數(shù)字控制系統(tǒng)適用高速紙機的高速度、高可靠性控制性能的需要。 
      關(guān)鍵詞:造紙機；變頻器；速度鏈；負荷分配  
      0 引言 
          應(yīng)用ABB變頻器和西門子PLC所組成的裝置來組成造紙機的電氣控制系統(tǒng)；其電氣傳動控制系統(tǒng)是基于S7-200 PLC控制的交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。 
      1 紙機對電氣傳動控制系統(tǒng)的要求 
      該造紙機主要的技術(shù)數(shù)據(jù)如下。 
      紙種：文化紙定量52～80g/m2； 
      zui高車速：350m/min 
      爬行速度：<40m/min可調(diào)； 
      升減速時間：0.1～1000s可調(diào)； 
      工作電壓：額定電壓的±10%； 
      電源頻率：50Hz±5%； 
      靜態(tài)精度：≤0.1%； 
      頻率漂移：≤0.1%； 
      頻率分辨率：0.01Hz； 
      頻率控制：0～50Hz； 
      起動轉(zhuǎn)矩：額定轉(zhuǎn)矩的200%； 
      左、右右手機。 
          該紙機的18個傳動點，分別由18臺交流電機單獨拖動，每臺交流電動機由ABB 全數(shù)字變頻調(diào)速裝置驅(qū)動，閉環(huán)控制。系統(tǒng)的控制采用PLC 作為控制核心，由PLC 對操作臺上每一傳動點的操作信號進行處理（每個傳動點在操作臺上都設(shè)有：速度增加、速度減少、緊紙、爬行/運行等操作按鈕），并把相應(yīng)的速度信號以通信的方式傳送給變頻器。同時，還對伏輥、驅(qū)網(wǎng)、吸移、真空壓榨、一壓、二壓分別進行負荷分配控制。另外，在操作臺上還顯示每一傳動點的車速及工作電流，并具有運行、故障指示。 
         紙機正常運行對電氣傳動控制系統(tǒng)的要求基本有以下幾點： 
      1）紙機傳動系統(tǒng)要有一定的穩(wěn)速精度和快速動態(tài)響應(yīng)。其中穩(wěn)態(tài)精度±（0.02～0.01）%，動態(tài)精度0.1%～0.05%； 
      2）工作速度要有較寬、均勻的調(diào)節(jié)范圍，適應(yīng)生產(chǎn)不同品種、定量的需要。調(diào)節(jié)范圍為I=1：10之間； 
      3）各傳動分部間速比穩(wěn)定、可調(diào)。為了使紙機可以生產(chǎn)出良好的紙頁和延長紙機正常工作時間，紙機各分部的速度必須是穩(wěn)定、可調(diào)的。各分部的調(diào)速范圍為±（8～10）%； 
      4）爬行速度。為了方便檢查、清洗聚酯網(wǎng)、壓榨毛毯以及檢查各分部的運行情況，各分部應(yīng)具有15～30m/min可調(diào)的爬行速度。但這樣低速運轉(zhuǎn)時間不宜過長，以減少無效的運行和機械磨損； 
      5）具有剛性或柔性連接的傳動分部間，在維持速度鏈關(guān)系的基礎(chǔ)上，還須具有負荷動態(tài)調(diào)整的功能，以免造成由于負荷動態(tài)轉(zhuǎn)移而引起有的分部因過載而過流，有的分部因輕載而過壓； 
      6）各分部具有微升、微降功能，應(yīng)具有必要的顯示功能，如線速度、電流、運行、故障信號等。相關(guān)聯(lián)的分部具有單動、聯(lián)動功能。 
      2 紙機電氣傳動控制系統(tǒng)的設(shè)計 
      2.1 系統(tǒng)硬件選擇與設(shè)計 
          硬件選擇依據(jù)系統(tǒng)的控制精度、通訊速度、響應(yīng)時間、高性價比、高可靠性的原則，選用SIEMENS 
          S7-200 PLC 及CP 226通信處理器，作為系統(tǒng)主控單元，控制整個系統(tǒng)。 
      2.1.1 變頻器 
          變頻器選用ABB 公司的ACS800 系列高性能變頻器，ACS800變頻器采用*的DTC控制技術(shù)，內(nèi)置直流電抗器，從而降低進線電源的高次諧波含量，zui大起動轉(zhuǎn)矩可達200%的電機額定轉(zhuǎn)矩；ACS800 的動態(tài)轉(zhuǎn)速誤差，閉環(huán)時為0.05%，靜態(tài)精度為0.01%。動態(tài)轉(zhuǎn)矩的階躍響應(yīng)時間，閉環(huán)時達到1～5ms?？奢^理想地滿足該機的高傳動性能的需要。 
      2.1.2反饋與速度控制 
          系統(tǒng)為了降低成本，選擇了ABBACS800 和ACS400 混合配置。由于ACS400本身不帶速度反饋接口，為了實現(xiàn)速度閉環(huán)控制，需另外加反饋裝置。本系統(tǒng)選用了由陜西科技大學(xué)自行設(shè)計的脈沖頻率電流變換單元，它能把測速脈沖轉(zhuǎn)換為電流信號輸入到變頻器中去，利用變頻器內(nèi)部的過程控制軟件實現(xiàn)速度變換控制。 
          這種方法的缺點是對于大慣性負載，如烘缸的負載擾動超調(diào)量和動態(tài)恢復(fù)時間較長。對調(diào)整帶來一定的不便，在使用中還要保持一定的工藝條件穩(wěn)定。如果工藝變化頻繁或波動較大時，應(yīng)轉(zhuǎn)入開環(huán)控制。 
      2.1.3繼電控制 
          起／停和爬行／運行控制不進PLC，一方面節(jié)省I/O接口，另外也是工藝上適應(yīng)的一種設(shè)計。不論紙機大小，都要求每一傳動點能獨立起/ 停和爬行/ 運行操作。所以，如果進入PLC 進行連動設(shè)計，看起來自動化程度高了，但實際不實用。因為在全線開機前為了保證安全和設(shè)備的試運轉(zhuǎn)，一般都采用單機起動或停止操作，這樣有利于發(fā)現(xiàn)故障和減少事故。故障保護及指示回路同樣采用繼電回路設(shè)計。 
      2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計與功能實現(xiàn) 
          程序模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，各種功能以子程序結(jié)構(gòu)適時調(diào)用實現(xiàn)；程序采用循環(huán)掃描方式對速度鏈上的傳動點進行處理，提高程序執(zhí)行效率；程序設(shè)計通用性強，并具有必要的保護功能和一定的智能性。主程序的流程如圖4示。 
      2.2.1速度鏈設(shè)計 
      1） 速度鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計 
          速度鏈結(jié)構(gòu)采用二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，先對各傳動點進行數(shù)學(xué)抽象，確定速度鏈中各傳動點編號，此編號應(yīng)與變頻器設(shè)定的地址一致。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，填入位置寄存器相應(yīng)的數(shù)值。由此可構(gòu)成能滿足該機正常工作需要的速度鏈結(jié)構(gòu)。 
      2） 算法設(shè)計 
          速度鏈的設(shè)計采用了調(diào)節(jié)變比的控制方法實現(xiàn)速度鏈功能，把壓榨作為速度鏈中的主節(jié)點。該點速度即紙機的工作車速，調(diào)節(jié)其速度即調(diào)節(jié)整機車速。其它各分部點的速度由該點車速乘以相應(yīng)的變比得到。由PLC 檢測其它分部車速調(diào)節(jié)信號，通過進行該部增、減按紐的操作改變其速比，從而改變相應(yīng)分部的車速。 
      2.2.2 負荷分配設(shè)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(shè)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(shè)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%。 
         由于電機功率是個間接量控制。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)矩方法如下式（1）所示： 
          M= Pe1×Mi1+Pe2×Mi2 Pe1+Pe2　　　　（1） 
      其中ML1、ML2是壓榨、烘缺電機實際輸出轉(zhuǎn)矩； 
      P1e、P2e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(biāo)。 
          設(shè)置zui大限幅值，如果負荷偏差超過該設(shè)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。 
      2.3輔助控制的機、電、液一體化設(shè)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(shè)備安全。 

      3 系統(tǒng)調(diào)試 
          本系統(tǒng)的調(diào)試分為三部分。一個是繼電回路調(diào)試，另外是軟件調(diào)試、負荷分配調(diào)試及速度測試等。以下簡要介紹后兩個問題的調(diào)試方法。 
      3.1 軟件調(diào)試 
          軟件調(diào)試*步，驗證PLC 動作是否正常，可以在連通整個系統(tǒng)的情況下觀察變頻器的顯示頻率進行驗證。如在I/O 端口上加上開關(guān)信號，觀察應(yīng)當(dāng)動作的變頻器單元，看是否按要求對頻率進行了調(diào)整。第二步，試驗負荷分配的動作，方向是否與設(shè)計一致?？梢栽诙俗由霞有盘柺闺娏髟黾踊驕p少，如果按計算，相應(yīng)的傳動點頻率變化則表示正常。zui后檢查通訊的可靠性，可以從變頻器上讀出通訊的錯誤率代碼，做必要的線路處理。 
      3.2系統(tǒng)動作時間測試 
          將系統(tǒng)的*級、中間一級和zui后一級接上速度表，然后以各點的加/減速按鈕來檢查頻率變化情況。當(dāng)按下按鈕后應(yīng)沒有明顯的滯后感,否則應(yīng)檢查程序和硬件線路，如前面所提到的，采用I/O 端掃描，其速度反應(yīng)在zui壞情況下應(yīng)在數(shù)百ms 以內(nèi)，否則會感到操作不方便。 
      4 結(jié)語 
          該紙機在山東一造紙廠經(jīng)過近一年多的實際紙機運行驗證，系統(tǒng)的穩(wěn)速精度、動態(tài)響應(yīng)、負荷分配效果、紙頁質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性等指標(biāo)都得到了用戶的肯定。實踐表明，這種基于ABB變頻器和S7-200PLC 的紙機傳動控制系統(tǒng)是可行的、合理的。 
      作者簡介 
          陳景文（1978-），男，助教，在讀研究生。研究方向：交直流電氣傳動的控制理論與應(yīng)用
      
				
      
			
      
			
      
		
      
	
      
	
	
      
		
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