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引言
本文所設(shè)計的紙傳動控制系統(tǒng)為應(yīng)用美國AB變頻器和西門子PLC所組成的控制網(wǎng)絡(luò)來完成造紙機電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的；其電氣傳動控制系統(tǒng)是基于S7-300 PLC三級控制的交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。
1 紙機對電氣傳動控制系統(tǒng)的要求
該造紙機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖
該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。
1.1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%;
1.2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；
1.3各傳動分部間速比穩(wěn)定、可調(diào)。為了使紙機可以生產(chǎn)良好的紙頁和提高紙機正常工作時間，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%；
1.4 爬行速度。為方便檢查、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15～30米/分可調(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；
1.5 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；
1.6 各分部具有微升、微降功能，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；
1.7 紙機傳動控制系統(tǒng)，應(yīng)具有良好接口能力，可與QCS控制、蒸汽控制等子系統(tǒng)上聯(lián)上位工控機及工廠管理級計算機；
2 紙機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
我們的選型原則是：優(yōu)化設(shè)計，程序通用化，界面美觀化，使整個控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高、魯棒性強。
紙機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該控制系統(tǒng)采用交流變頻分部傳動控制，三級控制方式。第一級為驅(qū)動級，變頻器采用AB公司系列變頻器，由閉環(huán)控制編碼器反饋板，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。第二級為PLC控制系統(tǒng)，采用西門子S7-300 PLC ， S7-300與變頻器組成Modbus總線控制網(wǎng)絡(luò)，通訊速率可達19.2Kbit/s，并完成自動卷取及輔助部分的機電一體化功能;第三級為上位控制系統(tǒng)，采用DELL公司工控機,用于紙機傳動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控，實現(xiàn)整個紙機自動控制。并可通過工業(yè)以太網(wǎng)與QCS系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、廠級管理級等聯(lián)網(wǎng)，可實現(xiàn)紙機控制系統(tǒng)優(yōu)化控制。
圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3 紙機電氣傳動控制系統(tǒng)的設(shè)計
3.1 系統(tǒng)硬件選型
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 314PLC、CP340通信處理器，作為系統(tǒng)主控單元，控制整個系統(tǒng)。上位機選用采用DELL工控機,配置為“PIV2.0G/21”，用于紙機傳動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控。
變頻器選用Allen-Bradley公司的powerflex系列高性能矢量變頻器，它設(shè)計緊湊，節(jié)省空間，給用戶提供強大的電機速度控制功能，最大起動轉(zhuǎn)矩可達150%的電機額定轉(zhuǎn)矩；可變的PWM允許變頻器在低頻下輸出更大的電流，數(shù)字PID功能提高了應(yīng)用的靈活性，計時器、計數(shù)器、基本邏輯和步序邏輯功能可以減少硬件設(shè)計成本并簡化控制方案，總之，powerflex系列高性能矢量變頻器的精巧設(shè)計可較理想地滿足該機的高傳動性能的需要。該紙機的電氣控制原理圖如圖3所示。
圖3 紙機電氣控制原理圖
3.2 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。
3.2.1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，通過操作該部增、減按紐的操作改變其速比，則改變相應(yīng)分部的車速。
3.2.2 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。它們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%。
由于電機功率是一間控制接量。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)矩方法如下公式所示。
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。
設(shè)置最大限幅值，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。
3.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)與通訊
本系統(tǒng)通過STRP7軟件實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，用STEP7創(chuàng)建一個項目，先選擇PLC的類型，并添加MPI總線、操作屏、工控機、并為變頻器分配網(wǎng)絡(luò)地址。
在該系統(tǒng)中上位機、PLC屬于第一類主站（DPM1），主要完成總線通信控制和管理。操作屏屬于第二類主站，主要完成各站點的數(shù)據(jù)讀寫、系統(tǒng)配置、故障診斷等。操作屏用SIEMENS的ProTool軟件設(shè)計上位機采用SIEMENS的WINCC軟件設(shè)計，實現(xiàn)上位機對整機系統(tǒng)的實時監(jiān)控。
上位機與PLC之間通用MPI電纜通訊。Modbus網(wǎng)絡(luò)采用RS485傳輸技術(shù)，使用專用屏蔽雙絞線。PLC與操作屏間是通過數(shù)據(jù)影像實現(xiàn)實時通訊。主站與從站間采用循環(huán)查詢方式，完成對變頻器的讀寫操作。
3.4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。
4 結(jié) 語
該紙機在山東一造紙廠經(jīng)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、可靠性等指標都得到了用戶的肯定。這種基于AB變頻器和S7-300PLC的紙機傳動控制系統(tǒng)是可行的、合理的。
[1] SIEMENS STEP7 V5.1 編程手冊 西門子股份有限公司 1998
[2] Allen-Bradley 應(yīng)用手冊 Rockwell Automation 2003
作者簡介：
陳景文 男 (1978-) 內(nèi)蒙古 助教 研究方向 交直流電氣傳動的控制理論與應(yīng)用
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號