國(guó)產(chǎn)高速造紙機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、國(guó)產(chǎn)高速造紙機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)天津造_lj鼉紙w÷毫國(guó)產(chǎn)高速造紙機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)陳景文(陜西科技大學(xué)陜西西安710021).-摘要.-.-.-:文章是關(guān)于國(guó)產(chǎn)高速造紙機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),系統(tǒng)應(yīng)用西門子公司的PLC和:ABB公司系列變頻器組成造紙機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng),通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì),較好地實(shí)現(xiàn)了造紙過(guò):程的工藝和電控要求一負(fù)荷分配,速度鏈的設(shè)計(jì).充分滿足造紙生產(chǎn)的電控需要.:關(guān)鍵詞:變頻器PLC負(fù)荷分配速度鏈造紙機(jī):1概述隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展.制漿造紙業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要支柱,早期的造紙生產(chǎn)產(chǎn)量較低,對(duì)電控沒(méi)有太高要求,隨著造紙規(guī)模的擴(kuò)大,對(duì)造紙機(jī)的產(chǎn)量及速度要求越來(lái)越高.

2、從而對(duì)紙機(jī)配套電控系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高.早期的調(diào)速以直流調(diào)速為主.但維護(hù)工作量較大,70年代后,隨著電力電子控制技術(shù)的飛速發(fā)展.使得交流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能可以與直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能相媲美.本文采用ABB公司ACS800型變頻器和西門子S7400PLC組成一套目前我國(guó)國(guó)產(chǎn)造紙機(jī)中車速較高的紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng).通過(guò)可編程邏輯控制器(PLC)和變頻器之間的通信,控制傳動(dòng)點(diǎn)的啟動(dòng),停止,增速,減速,緊紙等操作,由軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配,速度鏈等功能.充分滿足造紙工藝及電控的需要.2紙機(jī)傳動(dòng)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖l示.紙機(jī)為440o/650m/min高強(qiáng)瓦楞紙機(jī).圖1結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖紙機(jī)由長(zhǎng)網(wǎng)部,真

3、空吸移+四輥二壓區(qū)復(fù)合壓榨部,干燥部,壓光部,卷取部組成.共16個(gè)傳動(dòng)點(diǎn).總功率3240KW.為了能生產(chǎn)出?收稿日期:2008041822質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)較高的產(chǎn)品,紙機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)提出如下要求:(1)紙機(jī)工作速度要有較大的調(diào)節(jié)范圍,為了使造紙機(jī)具有較強(qiáng)的產(chǎn)品,原料的適應(yīng)性(如打漿度,漿料配比與種類,定量,紙種等),紙機(jī)傳動(dòng)可在較大范圍內(nèi)均勻地調(diào)節(jié)速度.(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(yè)的定量和質(zhì)量,減少紙幅斷頭,要求紙機(jī)穩(wěn)速精度為±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(shí),其縱向伸長(zhǎng)橫向收縮,而在烘干部時(shí),兩向都收縮,因此紙機(jī)各分部

4、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(yè)質(zhì)量的突變.此時(shí)的速差對(duì)成紙來(lái)說(shuō).主要影響紙頁(yè)的克重.誤差應(yīng)控制在0.1%以內(nèi)保持紙張不被拉斷.紙機(jī)各分部的速比的最大波動(dòng)值與漿料配比,定量,車速,生產(chǎn)工藝,紙頁(yè)收縮率及分部之間的紙幅無(wú)承托引段的張力等因素有關(guān).因此,造紙機(jī)各相鄰分部間應(yīng)有適當(dāng)?shù)乃俨顏?lái)形成良好的紙頁(yè).(4)各分部點(diǎn)具有速度微升,微降功能,引紙操作時(shí)的緊紙,松紙功能.具有剛性聯(lián)結(jié)或軟聯(lián)結(jié)的傳動(dòng)分部,如網(wǎng)部,壓榨部,施膠部.能進(jìn)行負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié).防止某點(diǎn)的速度發(fā)生變化而引起負(fù)荷在分部?jī)?nèi)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移.如不及時(shí)進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)節(jié)(因?yàn)楝F(xiàn)在使用的變頻器基本上都不具備長(zhǎng)期四象限運(yùn)行能力),有的

5、傳動(dòng)點(diǎn)負(fù)載可能超過(guò)它自身的功率范圍引起過(guò)流發(fā)生.有的傳動(dòng)點(diǎn)被拖動(dòng)而引起過(guò)高的泵升電壓,導(dǎo)致變頻器過(guò)壓而保護(hù)跳閘.甚至損壞變頻器和損壞毛布.同時(shí)在這些分部中,應(yīng)具有單動(dòng),聯(lián)動(dòng)功能.并可以同時(shí)起動(dòng),停止.必要的顯示功能.如線速度,電流或轉(zhuǎn)矩,運(yùn)行信號(hào),故障信號(hào)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(yùn)行工況,各分部應(yīng)有1550m/min可調(diào)的爬行速度.但不宜在此速度下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行.(6)紙機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)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(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠,協(xié)調(diào)的一津造紙蔓=ll疊墨躪墨皿控制.以滿足

6、紙機(jī)控制系通正常工作的需要.3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理如圖2所示.文中只選一個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)為例進(jìn)行說(shuō)明,為構(gòu)成傳動(dòng)點(diǎn)閉環(huán)控制及PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)通訊控制系統(tǒng),需安裝ABB的反饋卡及DP總線通訊卡,圖中NTAC與NPBA.該紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用由S7400PLC作為系統(tǒng)的控制中心;由功能較強(qiáng)大的ABB公司ACS800變頻器為驅(qū)動(dòng)單元,頻率分辨率為0.01Hz以上:變頻專用電機(jī)作為執(zhí)行單元;歐姆龍編碼器提供速度反饋信號(hào).使紙機(jī)傳動(dòng)在速度閉環(huán)運(yùn)行模式下,從而使控制系統(tǒng)穩(wěn)速精度達(dá)到0.01%.由PLC通過(guò)西門子PROFIBUS協(xié)議,PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)與變頻器實(shí)現(xiàn)速度鏈功能,速差控制,負(fù)荷分配功能,總車速

7、升,降,各分部點(diǎn)的速度升,降及緊紙,松紙等功能,較理想地滿足紙機(jī)正常工作的需求.圖2系統(tǒng)原理圖4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于以下原則:1.程序模塊化結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì),其中負(fù)荷分配,速度增減,初始化,緊紙,速比計(jì)算,校驗(yàn),數(shù)據(jù)發(fā)23天津造.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(duì)傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行處理.簡(jiǎn)化程序.提高程序執(zhí)行效率;3.采用中斷子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送,接收,確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確快速的傳輸:4.必要的軟件保護(hù)措施,以免造成重大機(jī)械損害.因此該程序通用性強(qiáng),可移植性好.使用不同的變頻器,只須進(jìn)行相應(yīng)協(xié)議的格式定義,即數(shù)據(jù)發(fā)送,接收,校驗(yàn)程序的相應(yīng)修改即可,滿足紙機(jī)運(yùn)行的需要.主程序流程

8、如圖3所示圖3主程序流程圖4.1速度鏈設(shè)計(jì)及速差控制速度鏈結(jié)構(gòu)采用二叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法,完成數(shù)據(jù)傳遞功能.首先對(duì)各傳動(dòng)點(diǎn)位置進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象,確定速度鏈中各傳動(dòng)點(diǎn)編號(hào),此編號(hào)應(yīng)與變頻器內(nèi)部地址一致然后根據(jù)二叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),確定各結(jié)點(diǎn)的上下,左或右編號(hào).即任一傳動(dòng)點(diǎn)由3個(gè)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(dòng)點(diǎn)速度給變頻器后.訪問(wèn)位置寄存器,確定子寄存器結(jié)點(diǎn)號(hào),若不為0,則對(duì)該經(jīng)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)處理,直到該鏈完全處理完;再查兄弟寄存器結(jié)點(diǎn)號(hào),處理另一支鏈.所以只須對(duì)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(shè)計(jì)采用了調(diào)節(jié)變

9、比的控制方法.如圖5示,紙機(jī)二壓點(diǎn)作為速度鏈中的主節(jié)點(diǎn).它的速度就是整個(gè)紙機(jī)的工作車速.在PLC內(nèi),我們通過(guò)通信檢測(cè)到車速調(diào)節(jié)信號(hào)則改變車速單元值,同時(shí)送給驅(qū)網(wǎng),吸移,真壓,一壓分部.其速度值乘以相應(yīng)的速比,即是該傳動(dòng)點(diǎn)的速度運(yùn)行值.若某一分部速度不滿足運(yùn)行要求,說(shuō)明該分部變比不合適,可通過(guò)操作該分部的加速,減速按鈕實(shí)現(xiàn),PLC檢測(cè)到按鈕信號(hào)后調(diào)整變比,使其適應(yīng)傳動(dòng)點(diǎn)間的速差控制要求.相當(dāng)于在PLC內(nèi)部有一個(gè)高精度的齒輪變速箱.可以任意無(wú)級(jí)調(diào)速.若正常生產(chǎn)中變比合適,需要緊紙,松紙操作時(shí).按下該分部緊紙,松紙按鈕,PLC將對(duì)應(yīng)在速度鏈上附加一正或負(fù)的偏移量則實(shí)現(xiàn)緊紙,松紙功能.同時(shí)送下一級(jí)計(jì)算

10、,依此類推,構(gòu)成速度鏈及速差控制系統(tǒng).前一級(jí)車速調(diào)整.后面跟隨調(diào)整.后級(jí)調(diào)整不影響前級(jí).適應(yīng)紙機(jī)操作引紙的順序要求.速度鏈的傳遞關(guān)系由圖5來(lái)體現(xiàn).由PLC軟件實(shí)現(xiàn).IE囹I三塾竺卜叫三璺壁圖54.2負(fù)荷分配原理與設(shè)計(jì)在多電機(jī)傳動(dòng)過(guò)程中要求各傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)負(fù)載率相同,即=Pi/Pie相同(Pi為i電機(jī)所承擔(dān)負(fù)載功率,Pie為電機(jī)額定功率).而且在負(fù)荷分配調(diào)節(jié)過(guò)程中不能影響其它各分部的速度.所以我們采用速度鏈主鏈與子鏈相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法.圖6負(fù)荷分配原理圖負(fù)荷分配控制中我們選取一臺(tái)電機(jī)作為本組主電機(jī),連接在速度鏈上,其它電機(jī)作為子電機(jī),形成子鏈控制結(jié)構(gòu).以三點(diǎn)負(fù)荷分配為例如圖6所示,編號(hào)為O和4是需要負(fù)

11、荷分配的前級(jí)和后級(jí),負(fù)荷分配以1為主,2,3作為1的從機(jī),處于速度鏈的子鏈上.Ple,P2e,P3e為三臺(tái)電機(jī)額定功率,Pe為額定總負(fù)載功率,Pe=Ple+P2e+P3e.P為實(shí)際總負(fù)載功率,P1,P2,P3為電機(jī)實(shí)際負(fù)載功率,則P=P1+P2+P3.系統(tǒng)工作要求P1=P*Ple/Pe,P2=P*P2e/Pe,P3=P*P3e/Pe.負(fù)荷分配的目的就是使P1,P2,P3滿足上述要求.在實(shí)際控制當(dāng)中,電機(jī)功率是一間接量.實(shí)際控制近似以電機(jī)定子電流代替電機(jī)功率.I:I_一一i=1其中:IIj第1臺(tái)電機(jī)出力電流;I第1臺(tái)電機(jī)額定電流;I.負(fù)載總電流;負(fù)荷分配就是依據(jù)電機(jī)電流,利用上述原理對(duì)控制的各臺(tái)

12、電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié),使電機(jī)電流百分比一樣,即各電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流和額定電流比值應(yīng)相等,這樣完成負(fù)荷分配的自動(dòng)控制.本文負(fù)荷分配分三部分(如圖五虛線范圍內(nèi)部分1.1)驅(qū)網(wǎng)輥與伏輥;2)吸移輥,真空壓榨輥與一壓,二壓輥;3)施膠上輥與施膠下輥.負(fù)荷分配的軟件實(shí)現(xiàn),首先基于合理的速度鏈結(jié)構(gòu),如圖5所示.采用主鏈與子鏈相結(jié)合的結(jié)構(gòu),使具有負(fù)荷分配的傳動(dòng)點(diǎn)組在子鏈結(jié)構(gòu)上,進(jìn)行負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)不影響其它傳動(dòng)點(diǎn)的狀態(tài).在紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中,因?yàn)樵谟袡C(jī)械相聯(lián)系的傳動(dòng)點(diǎn)由于所處位置不同,毛布的包角大小不一樣,承受的載荷在不同的工作狀態(tài)下不一樣,是一個(gè)變量.在實(shí)際控制當(dāng)中,由于電機(jī)功率是一間接量,實(shí)際控制電機(jī)定子電流或轉(zhuǎn)矩代替電機(jī)

13、功率.進(jìn)行讀取計(jì)算,調(diào)節(jié).在一組負(fù)荷分配傳動(dòng)點(diǎn)中選取包角較大且功率較大的傳動(dòng)點(diǎn)作為主點(diǎn),其余各點(diǎn)利用PLC通過(guò)總線讀取電機(jī)電流或轉(zhuǎn)矩,分別與主點(diǎn)電流或轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較,并以PID調(diào)節(jié)算法,相應(yīng)調(diào)節(jié)從點(diǎn)變頻器的輸出,使其電流或轉(zhuǎn)矩百分比與主點(diǎn)一致,從而達(dá)到負(fù)荷分配的自動(dòng)分配的目的.為了保護(hù)機(jī)械裝置和避免PLC調(diào)節(jié)過(guò)25巫陋圖一天津造墨蕊固吼鼉|§于頻繁,在軟件中設(shè)置上下限幅值.如果負(fù)荷不平衡度大于3%,PLC才進(jìn)行調(diào)整.如負(fù)荷分配不平衡度調(diào)整量設(shè)置太小.容易造成震蕩.如果大于不平衡上限幅值,進(jìn)行停機(jī)處理,以防止機(jī)械損害發(fā)生.5結(jié)語(yǔ)造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)既要保持一定的速度一致性,又要有一定

14、的速差.同時(shí)具有機(jī)械相聯(lián)系的傳動(dòng)點(diǎn)又要有負(fù)荷平衡即負(fù)荷分配功能.ABB變頻器具有直接轉(zhuǎn)矩控制功能,具有很高的可靠性和完善的功能實(shí)現(xiàn),通過(guò)豐富的參數(shù)組態(tài)和附加控制工藝板與PLC通過(guò)PROFIBUS協(xié)議通訊,協(xié)調(diào)工作可滿足中,高速造紙機(jī)對(duì)傳動(dòng)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.該紙機(jī)在山東銀河紙業(yè)集團(tuán)運(yùn)行已過(guò)一年,控制系統(tǒng)穩(wěn)定,紙機(jī)運(yùn)行可靠,穩(wěn)速精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能都達(dá)到了用戶較滿意的效果.參考文獻(xiàn):【1顧繩谷.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ).北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1999.1021王丹利趙景輝.可編程序控制器原理與應(yīng)用.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社.1997.6【3SIEMENS.SIMATICS7400

15、可編程控制器系統(tǒng)手冊(cè).北京:西門子股份有限公司.2000.141ABB固件手冊(cè).北京:ABB電氣傳動(dòng)中國(guó)有限公司.2004.01(上接第21頁(yè))動(dòng)性和穩(wěn)定性都能得到改進(jìn).該類分散劑用量為白土絕干量的0.1%一3.0%,以0.25%1.2%為最佳,過(guò)多或過(guò)少均會(huì)增黏.隨著高濃度涂布機(jī)的使用和銅版紙的發(fā)展,對(duì)分散劑的要求越來(lái)越高.為了提高車速和節(jié)能,需使用高含量的涂料,通常采用高分子有機(jī)分散劑.如聚丙烯酸鈉及其衍生物.或二異丁烯與馬來(lái)酸酐共聚物的二鈉鹽溶液,以及烷基酚聚氧乙烯醚,脂肪醇聚氧乙烯醚等,聚丙烯酸鈉作為涂布用的分散劑,與大多數(shù)顏料可得到低黏度和高固含量的涂料.能提高顏料的細(xì)度.分散體系穩(wěn)

16、定,提高紙張的柔軟性,強(qiáng)度,白度,保水性等.且具有可溶于水,不易水解,不易燃,無(wú)毒,無(wú)腐蝕等特點(diǎn).一般宜選用較高HLB值(1020)的表面活性劑,他們的用量通常在0.1%3.0%.涂布所用的顏料分散劑和涂料應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性和較低的黏度.對(duì)高濃度紙張涂料的制備尤為重要.由顏料,淀粉,聚苯乙烯,丁基乙26烯乳液組成的紙張涂料,添加聚氧乙烯醚型非離子表面活性劑2%一5%(按涂料同含量計(jì)),能起到穩(wěn)定作用,并可顯著降低涂料的黏度.在制備高濃度的紙張涂料時(shí),添加非離子表面活性劑如分散劑PA-401,勻染劑0或OP,也能明顯降低涂料的黏度和提高涂料的穩(wěn)定性.參考文獻(xiàn),11孫跟德.化學(xué)助劑在造紙過(guò)程中的應(yīng)用Il1.