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造纸机传动控制系统

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造纸机传动控制系统
日期: 7月31日 11:14   来源:   作者: admin  

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       本文采用森兰sb80系列变频器和西门子s7-200 plc组成一套文化纸机传动控制系统。经过可编程逻辑控制器( plc) 和变频器之间的通信, 控制传动点的启动、 停止、 增速、 减速、 紧纸等操作, 由软件自动实现负荷分配、 速度链等功能, 充分满足造纸工艺及电控的需要。
1 纸机对电气传动控制系统的要求 
1．1  该机结构简图如图1示。纸机为1760/250 m/min长网多缸文化纸机, 生产40~65g/m2高级文化用纸, 稳态精度≤0.01%。

图1 结构简图
1.2为了能生产出质量标准较高的产品, 纸机对电气传动系统提出如下的要求:
( 1)   纸机工作速度要有较大的调节范围, 为了使造纸机具有较强的产品、 原料的适应性( 如打浆度、 浆料配比与种类、 定量、 纸种等) , 纸机传动可在较大的范围内均匀的调节速度, 调节范围为1:8;
( 2)   车速要有较高的稳定裕度, 总车速提升、 下降要平稳。为了稳定纸页的定量和和质量、 减少纸幅断头, 要求纸机稳速精度为±0.05～0.01%;
( 3)   速差控制, 速比可调、 稳定。纸幅在网部和压榨部时, 其纵向伸长横向收缩, 而在烘干部时, 两向都收缩, 因此纸机各分部的线速度稍有差异, 即速差。速差在一定范围内变化不引起纸页质量的突变。此时的速差对成纸来说, 主要影响纸页的克重。误差应控制在0.1%以内保持纸张不被拉断。纸机各分部的速比的最大波动值与浆料配比、 定量、 车速、 生产工艺、 纸页收缩率及分部之间的纸幅无承托引段的张力等因素有关。因此, 造纸机各相邻分部间应有适当的速差来形成良好的纸页。纸机各分部的速度必须是能够调节的, 为±10~15%。利于工作时调整。为了生产较高质量的纸幅和减少断头率, 还要保持各分部间速比的稳定;
( 4)   各分部点具有速度微升、 微降功能, 引纸操作时的紧纸、 松纸功能。具有刚性联结或软联结的传动分部, 如网部、 压榨部、 施胶部, 能进行负荷动态调节。防止某点的速度发生变化而引起负荷在分部内动态转移, 如不及时进行自动的调节( 因为现在使用的变频器基本上都不具备长期四象限运行能力) , 有的传动点负载可能超过它自身的功率范围引起过流发生, 有的传动点被拖动而引起过高的泵升电压, 导致变频器过压而保护跳闸, 甚至损坏变频器和损坏毛布。同时在这些分部中, 应具有单动、 联动功能, 并能够同时起动、 停止。必要的显示功能, 如线速度、 电流或转矩、 运行信号、 故障信号等;
( 5)  爬行速度。 为了检修和清洗聚酯网、 压榨毛毯、 干网以及各分部的运行工况, 各分部应有15～50m/min可调的爬行速度, 但不宜在此速度下长时间运行;
( 6)   纸机为恒转矩负载性质, 要选择具有恒转矩控制性能的变频器, 并具有较高的分辨率, 良好的通讯能力, 并采用plc作为控制单元, 实现对整个控制系统的可靠、 协调的控制, 以满足纸机控制系通正常工作的需要。
 2 控制系统组成
系统原理图如图2所示 。该纸机传动系统采用由s7-226小型plc作为系统的控制中心; 由功能较强大的森兰sb80系列变频器为驱动单元, 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经过西门子modubus协议、 rs485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需求。

森兰sb80系列变频器采用ti推出的32位150mips的高速电机控制专用dsp和自主开发的嵌入式实时软件操作系统; 电机控制理论的先进性――转子磁场定向和精确磁通观测器的闭环电流矢量控制; 整机设计的先进性――高启动转矩、 高过载能力、 高速电流限制等。森兰sb80能满足各种苛刻工况下的电机控制, 广泛应用于恒转矩控制、 位置控制、 张力和卷绕控制、 纺织应用等领域。
3 控制系统软件设计
控制系统的软件设计基于以下原则: 1  程序模块化结构化设计, 其中负荷分配、 速度增减、 初始化、 紧纸、 速比计算、 校验、 数据发送、 接收等作为子程序调用;2  程序采用循环扫描的方式对传动点进行处理, 简化程序, 提高程序执行效率;3  采用中断子程序进行数据的发送、 接收;确保数据的准确快速的传输;4 必要的软件保护措施, 以免造成重大机械损害。
因此该程序通用性强, 可移植性好, 使用不同的变频器, 只须进行相应协议的格式的定义。即数据发送、 接收、 校验程序的相应修改即可, 满足纸机运行的需要。主程序流程图如图3所示

图3主程序流程图
3.1 速度链设计及速差控制   
速度链结构采用二叉树数据结构算法, 完成数据传递功能。首先对各传动点位置进行数学抽象, 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, 填入位置寄存器数值。如图4所示

图4 位置寄存器示意图

    该传动点速度给变频器后, 访问位置寄存器, 确定子寄存器结点号, 若不为0, 则对该经点进行相应处理, 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。因此只须对位置寄存器初始化, 即可构成具有任意分支结构的速度链。
算法设计采用了调节变比的控制方法。如图五所示, 纸机二压点作为速度链中的主节点, 它的速度就是整个纸机的工作车速。在 plc内, 我们经过通信检测到车速调节信号则改变车速单元值, 同时送给驱网、 吸移、 真压、 一压分部, 其速度值乘以相应的速比, 即是该传动点的速度运行值。若某一分部速度不满足运行要求, 说明该分部变比不合适, 可经过操作该分部的加速、 减速按钮实现, plc检测到按钮信号后调整了变比, 使其适应传动点间的速差控制要求。相当于在plc内部有一个高精度的齿轮变速箱, 能够任意无级调速。
若正常生产中变比合适, 需要紧纸、 松纸操作时, 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。同时送下一级计算, 依此类推, 构成速度链及速差控制系统。前一级车速调整, 后面跟随调整, 后级调整不影响前级,适应纸机操作引纸的顺序要求。
速度链的传递关系由图5来体现, 由plc软件实现。

图5  纸机速度链结构图      

3.2 负荷分配设计
该纸机传动结构上有柔性联结的传动点, 烘缸部和压榨部。它们之间不但要求速度同步还需要负载率均衡, 否则会造成一个传动点由于过载而过流, 而另一传动点则由于被带动而过压, 影响正常抄纸, 甚至可能撕坏毛布, 损坏变频器、 机械设备。因此这两个传动部分的传动点之间需要负荷分配自动控制。
负荷分配工作原理: 假设p1e、 p2e为两台电机额定功率, pe为额定总负载功率, pe= p1e+p2e 。p为实际总负载功率, p1、 p2为电机实际负载功率, 则p= p1+ p2。系统工作要求 p1=p*p1e/pe , p2=p*p2e/pe, 两个值相差≤3%。
由于电机功率是一间控制接量。实际控制以电机定子转矩代替电机功率进行计算。
plc采样各分部电机的转矩, 计算每一组的总负荷转矩, 根据总负荷转矩计算负载平衡时的期望转矩值。计算平均负荷转矩方法如下公式所示。
               m= 
 其中:       ml1 、 ml2 是压榨、 烘缸电机实际输出转矩;  
                 pe1 、 pe2 是压榨、 烘缸台电机额定功率;
                 m    为负荷平均期望转矩
plc经过modbus总线得到电机转矩, 利用上述原理再施以pid算法, 调节变频器的输出, 使两电机转矩百分比一致。即完成负荷自动分配的目标。
设置最大限幅值, 如果负荷偏差超过该设定值, 要停机处理, 以防机械、 电气损害发生。负荷分配控制实现的前提是合理的速度链结构, 使负荷分配的传动点组处于子链结构上, 该部负荷调整时, 不影响其它的传动点, 因此速度链结构是采用主链与子链相结合的形式。
3.3辅助控制的机、 电、 液一体化设计
辅助部分的机、 电、 液一体化、 连锁及保护、 卷纸机自动换卷控制、 稀油站润滑系统等辅助电气系统协调工作, 以保证系统正常运行和设备安全。
4变频器部分主要参数设置
  变频器主要参数设置如下表所示, 本表适合各系列森兰变频器, 因此未列出代码, 实际只需找到相应功能设置好即可:

  对表中部分参数注释如下: 加减速时间, 在造纸机传动系统中, 由于传动点数目较多, 即变频器数量较多, 因此负载不近相同。这就要求加减速时间设定不同, 对烘缸类大惯性负载加减速时间要长一些, 否则会导致变频器过载报警, 对其它辊类负载则加减速时间可稍短一些。通讯参数中地址设定一般从一侧设置至另一侧, 即由1至最后。本表为主要参数, 还有一些其它参数需据现场情况作相应改动, 本文不一一复述。
4  结 语
造纸机传动系统各个传动点既要保持一定的速度一致性, 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。森兰sb80系列变频器具有很高的可靠性和和完善的功能实现, 经过丰富的参数组态与plc经过modubus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。