罗克韦尔自动化 基于AB变频器的造纸机电气控制系统的设计

1 纸机对电气传动控制系统的要求 　　该造纸机的系统结构总图如图1所示。 　　1.1纸机传动系统要有一定的稳速精度和快速动态响应。其中稳态精度±0.02-- 0.01%，动态精度0.1%-- 0.05%; 　　1.2工作速度要有较宽、均匀的调节范围，适应生产不同品种、定量的需要。调节范围为I=1：10之间； 　　1.3各传动分部间速比稳定、可调。为了使纸机可以生产良好的纸页和提高纸机正常工作时间，纸机各分部的速度必须是稳定、可调的。各分部的调速范围为±8～10%； 　　1.4 爬行速度。为方便检查、清洗聚酯网、压榨毛毯、以及检查各分部的运行情况，各分部应具有15～30米/分可调的爬行速度。但这样低速运转时间不宜过长，以减少无效的运行和机械磨损； 　　1.5 具有刚性或柔性连接的传动分部间，在维持速度链关系基础上，还须具有负荷动态调整的功能，以免造成由于负荷动态转移而引起有的分部因过载而过流，有的分部因轻载而过压； 　　1.6 各分部具有微升、微降功能，必要的显示功能，如线速度、电流、运行、故障信号等。相关联的分部具有单动、联动功能； 　　1.7 纸机传动控制系统，应具有良好接口能力，可与QCS控制、蒸汽控制等子系统上联上位工控机及工厂管理级计算机； 　　2 纸机控制系统结构 　　我们的选型原则是：优化设计，程序通用化，界面美观化，使整个控制系统稳定性好、可靠性高、鲁棒性强。 　　纸机控制系统结构图如图2所示。该控制系统采用交流变频分部传动控制，三级控制方式。第一级为驱动级，变频器采用AB公司系列变频器，由闭环控制编码器反馈板，组成闭环控制系统。第二级为PLC控制系统，采用西门子S7-300 PLC ， S7-300与变频器组成Modbus总线控制网络，通讯速率可达19.2Kbit/s，并完成自动卷取及辅助部分的机电一体化功能;第三级为上位控制系统，采用DELL公司工控机,用于纸机传动系统状态监控，实现整个纸机自动控制。并可通过工业以太网与QCS系统、DCS系统、厂级管理级等联网，可实现纸机控制系统优化控制。 1 纸机对电气传动控制系统的要求 　　该造纸机的系统结构总图如图1所示。 　　1.1纸机传动系统要有一定的稳速精度和快速动态响应。其中稳态精度±0.02-- 0.01%，动态精度0.1%-- 0.05%; 　　1.2工作速度要有较宽、均匀的调节范围，适应生产不同品种、定量的需要。调节范围为I=1：10之间； 　　1.3各传动分部间速比稳定、可调。为了使纸机可以生产良好的纸页和提高纸机正常工作时间，纸机各分部的速度必须是稳定、可调的。各分部的调速范围为±8～10%； 　　1.4 爬行速度。为方便检查、清洗聚酯网、压榨毛毯、以及检查各分部的运行情况，各分部应具有15～30米/分可调的爬行速度。但这样低速运转时间不宜过长，以减少无效的运行和机械磨损； 　　1.5 具有刚性或柔性连接的传动分部间，在维持速度链关系基础上，还须具有负荷动态调整的功能，以免造成由于负荷动态转移而引起有的分部因过载而过流，有的分部因轻载而过压； 　　1.6 各分部具有微升、微降功能，必要的显示功能，如线速度、电流、运行、故障信号等。相关联的分部具有单动、联动功能； 　　1.7 纸机传动控制系统，应具有良好接口能力，可与QCS控制、蒸汽控制等子系统上联上位工控机及工厂管理级计算机； 　　2 纸机控制系统结构 　　我们的选型原则是：优化设计，程序通用化，界面美观化，使整个控制系统稳定性好、可靠性高、鲁棒性强。 　　纸机控制系统结构图如图2所示。该控制系统采用交流变频分部传动控制，三级控制方式。第一级为驱动级，变频器采用AB公司系列变频器，由闭环控制编码器反馈板，组成闭环控制系统。第二级为PLC控制系统，采用西门子S7-300 PLC ， S7-300与变频器组成Modbus总线控制网络，通讯速率可达19.2Kbit/s，并完成自动卷取及辅助部分的机电一体化功能;第三级为上位控制系统，采用DELL公司工控机,用于纸机传动系统状态监控，实现整个纸机自动控制。并可通过工业以太网与QCS系统、DCS系统、厂级管理级等联网，可实现纸机控制系统优化控制。 (1) 速度链结构设计。速度链结构采用二叉树数据结构算法，先对各传动点进行数学抽象，确定速度链中各传动点编号，此编号应与变频器设定的地址一致。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，填入位置寄存器相应的数值。由此可构成满足该机正常工作需要的速度链结构。 　　(2) 算法设计。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,把压榨作为速度链中的主节点，该点速度即纸机的工作车速，调节其速度即调节整机车速。其它各分部点的速度由该点车速乘以相应的变比得到。由PLC检测其它分部车速调节信号，通过操作该部增、减按纽的操作改变其速比，则改变相应分部的车速。 　　3.2.2 负荷分配设计 图4 主程序流程图 　　该纸机传动结构上有柔性联结的传动点，烘缸部和压榨部。它们之间不仅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。 　　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 系统网络组态与通讯 　　 本系统通过STRP7软件实现网络组态，用STEP7创建一个项目，先选择PLC的类型，并添加MPI总线、操作屏、工控机、并为变频器分配网络地址。 　　在该系统中上位机、PLC属于第一类主站（DPM1），主要完成总线通信控制和管理。操作屏属于第二类主站，主要完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等。操作屏用SIEMENS的ProTool软件设计上位机采用SIEMENS的WINCC软件设计，实现上位机对整机系统的实时监控。 　　上位机与PLC之间通用MPI电缆通讯。Modbus网络采用RS485传输技术，使用专用屏蔽双绞线。PLC与操作屏间是通过数据影像实现实时通讯。主站与从站间采用循环查询方式，完成对变频器的读写操作。 　　3.4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 结 语 　　 该纸机在山东一造纸厂经近一年多的实际纸机运行验证，系统的稳速精度、动态响应、负荷分配效果、纸页质量、系统稳定性、可靠性等指标都得到了用户的肯定。这种基于AB变频器和S7-300PLC的纸机传动控制系统是可行的、合理的。 信息来源于：电气在线