搜索
4200/550m/min叠网造纸机电气控制系统的设计收藏此信息打印该信息添加：陈景文孟彦京谢仕宏于衍星来源：未知1引言本台纸机属中型纸机，车速为550m/min，精度要求较高，整套系统全部选择abb配套产品(abb变频器、反馈卡、适配器)。abb变频器具有良好的驱动性能，采用先进的直接转矩(dtc)控制模式，逆变器的功率元件采用igbt，具有多种功能范围广泛的电子模板可以选择。先进的控制软件，确保最佳的动态响应和卓越的控制性能和高度的灵活性。多种自由功能的功能模块及bico技术可灵活地满足各种控制系统的控制功能需要。2控制系统组成2.1各分部传动点的参数各分部传动点的参数如表1所示。2.2系统组成系统原理如图1所示。本台纸机传动控制采用由s7-400大型plc作为系统的控制中心;abb600变频器为驱动单元，频率分辨率为0.01hz以上;变频专用电机作为执行单元;欧姆龙编码器通过abb反馈卡提供速度反馈信号，使纸机传动在速度闭环运行模式下，从而使控制系统稳速精度达到0.01%。由plc通过西门子profibus协议、dp网络与变频器实现速度链功能、速差控制、负荷分配功能、总车速升、降、各分部点的速度升、降及紧纸、松纸等功能，较理想地满足纸机正常工作的控制需求。根据用户要求，本控制系统采用交流变频传动控制，系统为两级控制方式:第一级为变频器控制级，变频器采用abb公司acs600系列直接转矩控制(dtc)变频器，配有闭环控制编码器反馈卡，组成闭环控制系统。变频器上还配有profibus-dp通讯板，与上位plc组成profibus-dp现场总线控制网络。图1系统原理图传动系统第二级为plc控制系统，plc采用西门子公司大型s7-400系列plc，cpu型号为414-2dp，操作台控制选用西门子op27操作屏，s7-400与变频器、op27操作屏组成profibus-dp现场总线控制网络，完成整个纸机操作控制。3系统主要功能的实现选用的西门子s7-400plc为控制单元，此系列plc有强大的通讯功能。可以方便组成profibus、mpi等现场总线系统，完成纸机传动过程的通讯控制。其主要控制功能如下:3.1速度链控制依据纸机传动系统的工艺特点，速度链的设计采用了调节变比的控制方法实现速度链功能。这样可以构成任意分支控制的速度链控制系统。(1)速度链结构设计速度链结构采用二叉树数据结构算法，用于完成传递功能。首先对各传动点进行数字抽象，确定速度链中各传动点编号，此编号应与变频器内部地址一致。然后根据二叉树数据结构，确定各结点的上下、左或右编号。即任一传动点由3个数据(“父子兄”或“父子弟”)确定其在速度链中的位置，填位置寄存器数值。如图2所示。该传动点速度指令发给变频器后，访问位置寄存器，确定子寄存器结点号，若不为0，则对该点进行相应处理，直到该链完全处理完;再查兄弟寄存器结点号，处理另一支链。故只须对位置寄存器初始化，即可构成任意分支速度链。图2速度链系统图(2)算法设计例如，如图1所示，把纸机第一分部点作为速度链中的主节点，即它的给定速度就决定整个纸机的工作车速，调节其给定速度就调节了整个纸机车速。在plc内，检测到车速调节信号则改变车速单元值，1点处的速度就为第一台变频器的运行速度设定值，将其送第一台变频器执行，并送给第二台计算。第一分部的速度值乘以第二分部的变比b1×a则为第二台变频器的给定值。若第二分部速度不满足运行要求，说明第二分部变比不合适，可通过操作第二分部的加速、减速按钮实现，plc检测到按钮信号后调节b1即调整了变比，使其适应生产要求。相当于在plc内部有一个高精度的齿轮变速箱，可以任意无级调速。若正常生产中变比合适，某种原因需要用紧纸、松纸时，按下该分部紧纸、松纸按钮，plc将对应在速度链上附加一正或负的偏移量则实现紧纸、松纸功能。图中2点就包含了调速和紧纸、松纸等操作指令的速度值，将它送给第二台变频器执行，同时送下一级计算。依此类推，构成速度链控制系统。速度链的分支设计采用父子算法，可以构成任意分支的速度链结构。3.2负荷分配控制网部、压榨部要求有负荷分配，所以它们之间要求速度同步的同时要求负载率均衡，否则会影响正常抄纸。当负荷不能均匀分布时，有可能撕坏毛布或造成断纸，所以这些传动部分的各自传动点之间实施负荷分配自动控制功能。负荷分配简单原理及实现:在纸机、印染机或其他传动系统中，只是电动机速度同步并不能满足实际系统的工作要求，实际系统还要求各传动点电机负载率相同，即δ=pi/pie相同(pi为i电机所承担负载功率，pie为电机额定功率)。现在以图2三点负荷分配为例，p1e、p2e、p3e为三台电机额定功率，pe为额定总负载功率，pe=p1e+p2e+p3e。p为实际总负载功率，p1、p2、p3为电机实际负载功率，则p=p1+p2+p3。负荷分配的目的就是使p1、p2、p3满足上述要求。在实际控制当中，电机功率是一间接量。实际控制近似以电机定子电流或转矩代替电机功率。负荷分配采样各分部电机的转矩，这样计算出系统总负荷转矩，根据系统总负荷转矩可以计算出负载平衡时的期望值转矩。计算平均负荷转矩方法如下式所示:其中:mli第i台电机实际输出转矩;pei第i台电机额定功率;m为负荷平衡期望转矩;负荷分配控制器根据平均期望转矩m和自己实际转矩mli比较进行调节。纸机负载随时波动，所以计算出的平均期望转矩m也根据实际负载变化，所以这种控制算法可以准确计算出总负荷和每台电机应该输出的转矩，为准确控制提供了方便。通过plc来完成的负荷分配方法是plc通过profibus-dp网络读取电机转矩，利用上述原理再配以先进的pid调节算法调节变频器的输出使电机转矩百分比一样，即各电机转矩电流和额定电流比值应相等。这样完成负荷分配的自动控制。对于网部，由于驱网辊和伏辊可能出现打滑现象，所以对于驱网辊和伏辊设有最大速差保护，若超过最大速差还不能达到负荷平衡，则自动负荷分配停止，处于速度控制模式。对于压榨部根据纸机的压榨部上下压榨辊的加压信号进行控制，当上下辊加压后，吸移辊与上下压辊处于负荷分配控制模式，plc启动负荷分配调节控制，上下辊分开时从机处于速度控制模式，plc停止负荷分配，维持速度同步不变。由于负荷分配控制点属于共同带同一负载，所以要求同时启动，同时停止。但在调试检修过程中要能单独起停，因此对负荷分配各传动点采用单动/联动控制。3.3张力控制根据纸机工艺要求，在压榨后、涂布机、卷取前可以加张力传感器。张力传感器将张力信号送入plc，在操作台上安装的操作屏上进行张力设定，plc根据张力设定值和张力传感器的反馈值进行调节，保持张力恒定准确，并在操作台的操作屏上显示实际张力。图3控制系统原理图张力传感器检测纸页的张力信号送入s7-400plc内，根据在网部操作屏上的张力设定进行计算，调节其后传动辊的输出转矩，维持纸页张力恒定，实现张力闭环控制。在张力传感器前加有断纸检测，出现断纸，可以自动退出张力控制模式，自动转为速度控制模式。待纸页重新引上后，断纸信号消失，自动转换为张力控制模式。plc内采用pid控制算法，并带有速度限幅，防止断纸时出现飞车现象。plc对张力传感器信号进行分析，可以及时报警并有效预防张力传感器故障对生产的影响。4控制系统原理图及变频器参数设置控制系统原理图如图3所示。5结束语造纸机传动系统各个传动点既要保持速度一致性，又要有一定的速差。同时具有机械相联系的传动点又要有负荷平衡即负荷分配功能。abb600变频器具有dtc控制功能，具有很高的可靠性和完善的功能实现，通过丰富的参数组态和附加控制工艺板与plc通过profibus协议通讯、协调工作可满足中、高速造纸机对传动系统要求大速比变化、高稳态精度等控制性能的需要。本套系统在河北一纸厂调试正常并已投入生产数月，各项性能指标均达到或超过厂家要求标准。参考文献[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[m].北京:机械工业出版社,2001.[2]siemenssimatics7-400可编程控制器系统手册[z].西门子股份有限公司,2000.[3]siemens标准驱动产品通信手册[z].西门子股份有限公司,2000.作者简介陈景文(1979-)男助教/在读研究生研究方向:交直流电气传动的控制理论与应用