一．前言

在國(guó)內(nèi)許多造紙廠家的造紙生產(chǎn)線制造工藝比較落后，特別是在電氣自動(dòng)化方面，故障率較高，效率較低。主要問(wèn)題體現(xiàn)如下：1.造紙機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中某分部傳動(dòng)點(diǎn)負(fù)載慣量大，速度容易上下波動(dòng)，造成斷紙；2.某些紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)還采用模擬量信號(hào)作為速度給定源，信號(hào)干擾較大，不能達(dá)到精確控制的要求。對(duì)于以上存在的問(wèn)題，案列采用ABB系列ACS880變頻器采用Profibus dp通訊控制紙機(jī)系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中對(duì)上面出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行深入研究和程序改進(jìn)。并將改進(jìn)的紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用于。經(jīng)過(guò)回訪客戶，此控制系統(tǒng)，運(yùn)行系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

二．ACS880變頻器簡(jiǎn)介

　　ACS880傳動(dòng)采用的核心技術(shù)是ABB最先進(jìn)的電機(jī)控制技術(shù)一直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)，可以控制從交流感應(yīng)電機(jī)到永磁電機(jī)的所有電機(jī)類(lèi)型。這款工業(yè)傳動(dòng)可以靈活配置，滿足制漿與造紙、冶金、船舶、物料搬運(yùn)、采礦、水泥、電力、化工和石油天然氣等行業(yè)等不同行業(yè)的特定需求。

二.PROFIBUS簡(jiǎn)介

　　PROFIBUS是SIEMENS提出的一個(gè)高層次工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。它既適合有高速時(shí)間要求的數(shù)據(jù)傳輸，也可用于大范圍的復(fù)雜通訊場(chǎng)合，現(xiàn)在已發(fā)展成一種開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)（德標(biāo)DIN19245和歐標(biāo)PREN50170）。按應(yīng)用范圍有三種主要模塊，即PROFIBUS—FMS、PROFIBUS—DP和PRFIBUS—PA。它們均使用單一的總線存取協(xié)議，通過(guò)OSI參考模型的第2層實(shí)現(xiàn)包括數(shù)據(jù)的可靠性以及傳輸協(xié)議和報(bào)文的處理。

PROFIBUS—DP經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信連接，專(zhuān)為設(shè)備級(jí)分散I／O之間通信設(shè)計(jì)，用于設(shè)備級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳送，中央控制器通過(guò)高速串行線同分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如I／O、驅(qū)動(dòng)器、閥門(mén)等)進(jìn)行通信，多數(shù)數(shù)據(jù)交換是周期性的，除此之外，智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備還需要非周期性通信，以進(jìn)行配置、診斷和報(bào)警處理。使用PROFIBUS—DP模塊可取代價(jià)格昂貴的數(shù)字或模擬信號(hào)線,用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。

2.變頻傳動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)以云南某造紙廠工程為例，按照客戶設(shè)計(jì)方案及工藝設(shè)計(jì)要求，幅寬4400mm，設(shè)計(jì)車(chē)速350m/min。紙機(jī)傳動(dòng)點(diǎn)設(shè)計(jì)個(gè)數(shù)為12組，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)容量1249KW。傳動(dòng)點(diǎn)名稱(chēng)及電機(jī)容量如下表所示。

　　根據(jù)客戶要求及控制方案的綜合對(duì)比，采用的CPU313-2DP作為變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的總控制器,MPI/DP接口作為PROFIBUS-DP系統(tǒng)的通信接口，西門(mén)子KTP1000操作屏作為現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面，采用ABB公司的ACS880變頻器作為各傳動(dòng)單元，變頻器的通訊模塊選用FPBA-01通訊適配器。總控制器與各傳動(dòng)單元之間采用PROFIBUS-DP進(jìn)行通訊，人機(jī)界面與PLC之間采用MPI進(jìn)行通訊。使用西門(mén)子公司研發(fā)的STEP7編程軟件對(duì)紙機(jī)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行軟件通訊組態(tài)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。

2.2可編程控制器的硬件接線

   為了提高造紙生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度，對(duì)影響造紙生產(chǎn)線的安全參數(shù)，增加電機(jī)風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖控制，因此本系統(tǒng)可編程控制器集成數(shù)字輸入32點(diǎn)、數(shù)字輸出32點(diǎn)。硬件接線設(shè)計(jì)數(shù)字量輸入如下1所示。

圖1 數(shù)字量輸入輸出模塊接線圖

2.3ACS880變頻器硬件接線

　　根據(jù)紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，12個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)變頻器接線大體相同，如圖2所示。

圖2 ACS880硬件接線圖

ACS880變頻器的硬件接線包括電機(jī)線、電機(jī)風(fēng)機(jī)線、變頻器的急停控制端子、PROFIBUS通訊等接線。ACS880變頻器的主電源輸入由三相萬(wàn)能式斷路器提供。

3.變頻傳動(dòng)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)

　　本系統(tǒng)人機(jī)界面和PLC之間采用MPI進(jìn)行通訊；各傳動(dòng)單元和PLC之間采用PROFIBUS進(jìn)行通訊。本文重點(diǎn)介紹PROFIBUS通訊硬件組態(tài)，使用SIMATIC編程軟件進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)。軟件組態(tài)如圖3所示

圖3組態(tài)硬件

上圖所示，PROFIBUS-DP系統(tǒng)建立起來(lái)，記錄每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的站地址，并保存編輯，完成了PROFIBUS-DP系統(tǒng)建立。

3.2控制系統(tǒng)傳動(dòng)點(diǎn)速度鏈設(shè)計(jì)

　　為了達(dá)到精度高、穩(wěn)定性好、操作方便的設(shè)計(jì)要求，必須研究變頻傳動(dòng)系統(tǒng)速度鏈的控制原理。兩個(gè)相鄰傳動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)行速度應(yīng)保持在一定的比例中，在主點(diǎn)車(chē)速調(diào)整過(guò)程中，只影響本傳動(dòng)點(diǎn)和后面的傳動(dòng)點(diǎn)，而不影響前面各傳動(dòng)點(diǎn)的速度，每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)在前一級(jí)傳動(dòng)點(diǎn)速度基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整并將速度給定信號(hào)傳送給下級(jí)傳動(dòng)點(diǎn)，形成一個(gè)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，稱(chēng)為速度鏈。根據(jù)紙機(jī)傳動(dòng)控制要求，傳動(dòng)控制速度鏈精度應(yīng)在0. 0 1 % - 0 . 0 4 % 之間,這與紙幅的伸縮率有關(guān)。本變頻傳動(dòng)系統(tǒng)中速度鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用二叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)法，通過(guò)此方法完成速度鏈傳遞功能。首先對(duì)各傳動(dòng)點(diǎn)控制工藝進(jìn)行分析，確定傳動(dòng)點(diǎn)在速度鏈中的具體位置和作用，然后對(duì)設(shè)計(jì)好的速度鏈中的傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行通訊地址設(shè)置，并準(zhǔn)確記錄地址號(hào)碼。本系統(tǒng)進(jìn)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工藝情況分析，速度鏈設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 速度鏈設(shè)計(jì)圖

此變頻傳動(dòng)系統(tǒng)中驅(qū)網(wǎng)輥?zhàn)鳛樗俣孺溨械目傑?chē)速給定，驅(qū)網(wǎng)輥的速度是整個(gè)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的工作車(chē)速，在變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的操作人機(jī)界面，改變驅(qū)網(wǎng)輥的運(yùn)行車(chē)速給定值，就調(diào)節(jié)了整個(gè)紙機(jī)車(chē)速。驅(qū)網(wǎng)輥的速度給定值傳送給它的從點(diǎn)真空伏輥和下一分部主點(diǎn)一壓下輥。從點(diǎn)真空伏輥根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝情況，在人機(jī)界面通過(guò)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(guò)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從點(diǎn)一壓上輥和下一分部主點(diǎn)二壓下輥。一壓上輥通過(guò)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。就這樣依次類(lèi)推，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)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5所示。

圖5 速度鏈原理圖

3.3主從傳動(dòng)點(diǎn)負(fù)荷分配設(shè)計(jì)

在紙機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，有多臺(tái)電機(jī)同時(shí)拖動(dòng)同一負(fù)載的現(xiàn)象，如壓榨部的一壓下輥、一壓上輥之間就形成負(fù)荷分配問(wèn)題。此變頻傳動(dòng)系統(tǒng)不能只要求速度完全同步，這樣并不能滿足工藝要求，各傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)必須出力相同，否則會(huì)出現(xiàn)傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)負(fù)載不一，甚至電動(dòng)機(jī)成為發(fā)電機(jī)的情況，影響正常生產(chǎn)，甚至損壞壞毛布或造成抄紙困難。針對(duì)此問(wèn)題，必須設(shè)計(jì)傳動(dòng)點(diǎn)主點(diǎn)和從點(diǎn)負(fù)荷分配。紙機(jī)傳動(dòng)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(wú)振蕩、能夠隨時(shí)適應(yīng)負(fù)載變化。本系統(tǒng)采用PLC＋變頻器二級(jí)傳動(dòng)控制方式，PLC與變頻器通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)通訊，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(guò)程中不能影響本傳動(dòng)組以外各分部的速度。PLC通過(guò)通訊讀取主點(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(guò)PROFIBUS-DP通訊將從點(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6所示。

圖6負(fù)荷分配原理圖

3.4　ACS880變頻器參數(shù)設(shè)置說(shuō)明

　　各傳動(dòng)點(diǎn)的ACS880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(guò)Profibus進(jìn)行通訊,達(dá)到精確控制電機(jī)的目的。以驅(qū)網(wǎng)輥為例,變頻器的參數(shù)設(shè)置如下圖7所示。

圖7.參數(shù)設(shè)置

4.結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)前言提出的三個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)方案采用PROFIBUS-DP通訊方式，運(yùn)用ABB 變頻器家族的最新產(chǎn)品ACS880 變頻器控制電機(jī)，此系統(tǒng)的通訊速率速度快，運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)，大大提高了傳動(dòng)控制的自動(dòng)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)方案，使系統(tǒng)在運(yùn)行中速度穩(wěn)定性高、負(fù)載分配合理、很大程度上減小斷紙次數(shù)。此控制方案完全符合現(xiàn)代造紙自動(dòng)化的生產(chǎn)要求，在生產(chǎn)中運(yùn)行良好，值得推廣。

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?5.參考文獻(xiàn)

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