國產(chǎn)高速造紙機電氣控制系統(tǒng)的設計

1、國產(chǎn)高速造紙機電氣控制系統(tǒng)的設計天津造_lj鼉紙w÷毫國產(chǎn)高速造紙機電氣控制系統(tǒng)的設計陳景文(陜西科技大學陜西西安710021).-摘要.-.-.-:文章是關于國產(chǎn)高速造紙機電氣控制系統(tǒng)的設計,系統(tǒng)應用西門子公司的PLC和:ABB公司系列變頻器組成造紙機變頻調速系統(tǒng),通過軟硬件設計,較好地實現(xiàn)了造紙過:程的工藝和電控要求一負荷分配,速度鏈的設計.充分滿足造紙生產(chǎn)的電控需要.:關鍵詞:變頻器PLC負荷分配速度鏈造紙機:1概述隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展.制漿造紙業(yè)已經(jīng)成為我國工業(yè)經(jīng)濟增長的重要支柱,早期的造紙生產(chǎn)產(chǎn)量較低,對電控沒有太高要求,隨著造紙規(guī)模的擴大,對造紙機的產(chǎn)量及速度要求越來越高.

2、從而對紙機配套電控系統(tǒng)的要求也越來越高.早期的調速以直流調速為主.但維護工作量較大,70年代后,隨著電力電子控制技術的飛速發(fā)展.使得交流調速系統(tǒng)的調速性能可以與直流調速系統(tǒng)的調速性能相媲美.本文采用ABB公司ACS800型變頻器和西門子S7400PLC組成一套目前我國國產(chǎn)造紙機中車速較高的紙機傳動控制系統(tǒng).通過可編程邏輯控制器(PLC)和變頻器之間的通信,控制傳動點的啟動,停止,增速,減速,緊紙等操作,由軟件自動實現(xiàn)負荷分配,速度鏈等功能.充分滿足造紙工藝及電控的需要.2紙機傳動對電氣控制系統(tǒng)的要求該機結構簡圖如圖l示.紙機為440o/650m/min高強瓦楞紙機.圖1結構簡圖紙機由長網(wǎng)部,真

3、空吸移+四輥二壓區(qū)復合壓榨部,干燥部,壓光部,卷取部組成.共16個傳動點.總功率3240KW.為了能生產(chǎn)出?收稿日期:2008041822質量標準較高的產(chǎn)品,紙機對電氣傳動系統(tǒng)提出如下要求:(1)紙機工作速度要有較大的調節(jié)范圍,為了使造紙機具有較強的產(chǎn)品,原料的適應性(如打漿度,漿料配比與種類,定量,紙種等),紙機傳動可在較大范圍內均勻地調節(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)定紙頁的定量和質量,減少紙幅斷頭,要求紙機穩(wěn)速精度為±0.01%.(3)速差控制,速比可調,穩(wěn)定.紙幅在網(wǎng)部和壓榨部時,其縱向伸長橫向收縮,而在烘干部時,兩向都收縮,因此紙機各分部

4、的線速度稍有差異,即速差.速差在一定范圍內變化不引起紙頁質量的突變.此時的速差對成紙來說.主要影響紙頁的克重.誤差應控制在0.1%以內保持紙張不被拉斷.紙機各分部的速比的最大波動值與漿料配比,定量,車速,生產(chǎn)工藝,紙頁收縮率及分部之間的紙幅無承托引段的張力等因素有關.因此,造紙機各相鄰分部間應有適當?shù)乃俨顏硇纬闪己玫募堩?(4)各分部點具有速度微升,微降功能,引紙操作時的緊紙,松紙功能.具有剛性聯(lián)結或軟聯(lián)結的傳動分部,如網(wǎng)部,壓榨部,施膠部.能進行負荷動態(tài)調節(jié).防止某點的速度發(fā)生變化而引起負荷在分部內動態(tài)轉移.如不及時進行自動的調節(jié)(因為現(xiàn)在使用的變頻器基本上都不具備長期四象限運行能力),有的

5、傳動點負載可能超過它自身的功率范圍引起過流發(fā)生.有的傳動點被拖動而引起過高的泵升電壓,導致變頻器過壓而保護跳閘.甚至損壞變頻器和損壞毛布.同時在這些分部中,應具有單動,聯(lián)動功能.并可以同時起動,停止.必要的顯示功能.如線速度,電流或轉矩,運行信號,故障信號等.(5)爬行速度.為了檢修和清洗聚酯網(wǎng),壓榨毛毯,干網(wǎng)以及各分部的運行工況,各分部應有1550m/min可調的爬行速度.但不宜在此速度下長時間運行.(6)紙機為恒轉矩負載性質.要選擇具有恒轉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,實現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)的可靠,協(xié)調的一津造紙蔓=ll疊墨躪墨皿控制.以滿足

6、紙機控制系通正常工作的需要.3控制系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)原理如圖2所示.文中只選一個傳動點為例進行說明,為構成傳動點閉環(huán)控制及PROFIBUS總線網(wǎng)絡通訊控制系統(tǒng),需安裝ABB的反饋卡及DP總線通訊卡,圖中NTAC與NPBA.該紙機傳動系統(tǒng)采用由S7400PLC作為系統(tǒng)的控制中心;由功能較強大的ABB公司ACS800變頻器為驅動單元,頻率分辨率為0.01Hz以上:變頻專用電機作為執(zhí)行單元;歐姆龍編碼器提供速度反饋信號.使紙機傳動在速度閉環(huán)運行模式下,從而使控制系統(tǒng)穩(wěn)速精度達到0.01%.由PLC通過西門子PROFIBUS協(xié)議,PROFIBUS網(wǎng)絡與變頻器實現(xiàn)速度鏈功能,速差控制,負荷分配功能,總車速

7、升,降,各分部點的速度升,降及緊紙,松紙等功能,較理想地滿足紙機正常工作的需求.圖2系統(tǒng)原理圖4控制系統(tǒng)軟件設計控制系統(tǒng)的軟件設計基于以下原則:1.程序模塊化結構化設計,其中負荷分配,速度增減,初始化,緊紙,速比計算,校驗,數(shù)據(jù)發(fā)23天津造.送,接收等作為子程序調用:2.程序采用循環(huán)掃描的方式對傳動點進行處理.簡化程序.提高程序執(zhí)行效率;3.采用中斷子程序進行數(shù)據(jù)的發(fā)送,接收,確保數(shù)據(jù)準確快速的傳輸:4.必要的軟件保護措施,以免造成重大機械損害.因此該程序通用性強,可移植性好.使用不同的變頻器,只須進行相應協(xié)議的格式定義,即數(shù)據(jù)發(fā)送,接收,校驗程序的相應修改即可,滿足紙機運行的需要.主程序流程

8、如圖3所示圖3主程序流程圖4.1速度鏈設計及速差控制速度鏈結構采用二叉樹數(shù)據(jù)結構算法,完成數(shù)據(jù)傳遞功能.首先對各傳動點位置進行數(shù)學抽象,確定速度鏈中各傳動點編號,此編號應與變頻器內部地址一致然后根據(jù)二叉樹數(shù)據(jù)結構,確定各結點的上下,左或右編號.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.填入位置寄存器數(shù)值.如圖4所示.圖4位置寄存器示意圖該傳動點速度給變頻器后.訪問位置寄存器,確定子寄存器結點號,若不為0,則對該經(jīng)點進行相應處理,直到該鏈完全處理完;再查兄弟寄存器結點號,處理另一支鏈.所以只須對位置寄存器初始化.即可構成具有任意分支結構的速度鏈.算法設計采用了調節(jié)變

9、比的控制方法.如圖5示,紙機二壓點作為速度鏈中的主節(jié)點.它的速度就是整個紙機的工作車速.在PLC內,我們通過通信檢測到車速調節(jié)信號則改變車速單元值,同時送給驅網(wǎng),吸移,真壓,一壓分部.其速度值乘以相應的速比,即是該傳動點的速度運行值.若某一分部速度不滿足運行要求,說明該分部變比不合適,可通過操作該分部的加速,減速按鈕實現(xiàn),PLC檢測到按鈕信號后調整變比,使其適應傳動點間的速差控制要求.相當于在PLC內部有一個高精度的齒輪變速箱.可以任意無級調速.若正常生產(chǎn)中變比合適,需要緊紙,松紙操作時.按下該分部緊紙,松紙按鈕,PLC將對應在速度鏈上附加一正或負的偏移量則實現(xiàn)緊紙,松紙功能.同時送下一級計算

10、,依此類推,構成速度鏈及速差控制系統(tǒng).前一級車速調整.后面跟隨調整.后級調整不影響前級.適應紙機操作引紙的順序要求.速度鏈的傳遞關系由圖5來體現(xiàn).由PLC軟件實現(xiàn).IE囹I三塾竺卜叫三璺壁圖54.2負荷分配原理與設計在多電機傳動過程中要求各傳動點電機負載率相同,即=Pi/Pie相同(Pi為i電機所承擔負載功率,Pie為電機額定功率).而且在負荷分配調節(jié)過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合的設計方法.圖6負荷分配原理圖負荷分配控制中我們選取一臺電機作為本組主電機,連接在速度鏈上,其它電機作為子電機,形成子鏈控制結構.以三點負荷分配為例如圖6所示,編號為O和4是需要負

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

12、電機進行調節(jié),使電機電流百分比一樣,即各電機轉矩電流和額定電流比值應相等,這樣完成負荷分配的自動控制.本文負荷分配分三部分(如圖五虛線范圍內部分1.1)驅網(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.負荷分配的軟件實現(xiàn),首先基于合理的速度鏈結構,如圖5所示.采用主鏈與子鏈相結合的結構,使具有負荷分配的傳動點組在子鏈結構上,進行負荷動態(tài)調整時不影響其它傳動點的狀態(tài).在紙機傳動系統(tǒng)中,因為在有機械相聯(lián)系的傳動點由于所處位置不同,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,是一個變量.在實際控制當中,由于電機功率是一間接量,實際控制電機定子電流或轉矩代替電機

13、功率.進行讀取計算,調節(jié).在一組負荷分配傳動點中選取包角較大且功率較大的傳動點作為主點,其余各點利用PLC通過總線讀取電機電流或轉矩,分別與主點電流或轉矩進行比較,并以PID調節(jié)算法,相應調節(jié)從點變頻器的輸出,使其電流或轉矩百分比與主點一致,從而達到負荷分配的自動分配的目的.為了保護機械裝置和避免PLC調節(jié)過25巫陋圖一天津造墨蕊固吼鼉|§于頻繁,在軟件中設置上下限幅值.如果負荷不平衡度大于3%,PLC才進行調整.如負荷分配不平衡度調整量設置太小.容易造成震蕩.如果大于不平衡上限幅值,進行停機處理,以防止機械損害發(fā)生.5結語造紙機傳動系統(tǒng)各個傳動點既要保持一定的速度一致性,又要有一定

14、的速差.同時具有機械相聯(lián)系的傳動點又要有負荷平衡即負荷分配功能.ABB變頻器具有直接轉矩控制功能,具有很高的可靠性和完善的功能實現(xiàn),通過豐富的參數(shù)組態(tài)和附加控制工藝板與PLC通過PROFIBUS協(xié)議通訊,協(xié)調工作可滿足中,高速造紙機對傳動系統(tǒng)要求大速比變化,高穩(wěn)態(tài)精度等控制性能的需要.該紙機在山東銀河紙業(yè)集團運行已過一年,控制系統(tǒng)穩(wěn)定,紙機運行可靠,穩(wěn)速精度和動態(tài)響應性能都達到了用戶較滿意的效果.參考文獻:【1顧繩谷.電機及拖動基礎.北京:機械工業(yè)出版社.1999.1021王丹利趙景輝.可編程序控制器原理與應用.西安:西北工業(yè)大學出版社.1997.6【3SIEMENS.SIMATICS7400

15、可編程控制器系統(tǒng)手冊.北京:西門子股份有限公司.2000.141ABB固件手冊.北京:ABB電氣傳動中國有限公司.2004.01(上接第21頁)動性和穩(wěn)定性都能得到改進.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,過多或過少均會增黏.隨著高濃度涂布機的使用和銅版紙的發(fā)展,對分散劑的要求越來越高.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分散劑.如聚丙烯酸鈉及其衍生物.或二異丁烯與馬來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.能提高顏料的細度.分散體系穩(wěn)

16、定,提高紙張的柔軟性,強度,白度,保水性等.且具有可溶于水,不易水解,不易燃,無毒,無腐蝕等特點.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具有良好的穩(wěn)定性和較低的黏度.對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),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,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,11孫跟德.化學助劑在造紙過程中的應用Il1.