造纸机速度链的设计与工作原理

1 引言 在纸机分布式传动中，由于各相邻传动点之间的速度应保持一定的比例，且在车速调整过程中，应满足只影响本级和本级以后的各传动点，而不影响前面各传动的速度，这样每传动点在前一级的基础上可以调整并把速度信号传送给下一级形成一个链式结构，即为速度链。如何实现速度链是纸机传动中的一个关键性问题，设计时应考虑以下几个方面的因素。 （1）精度，速度链一定要满足纸机传动中的精度。 （2）稳定性、速度链一定要稳定、可靠、才能保证系统正常运行。 （3）操作方便、由于工厂中工人的文化程不一，因此一定要注意操作不能太复杂。 （4）性价比，一定要在满足系统性能的基础上尽量降低成本。 2 速度链的分类 一般来说速度链可分为两类 （1）摸拟式速度链 这种速度链在分布式纸机直流传动中应用较多。其车速度调整均为模拟量。优点是：线路简单成本低。缺点是：操作不便，调整车速时节不易掌握调整量的大小；易干扰，在车间里由于各种干扰源的存在，模拟量的传送易受干扰，影响系统精度。 （2）数字式速度链 其根据操作又可分为按键式，触摸屏式，根椐控制器又可分为速度链控制器式，电动电位器、PLC控制式，工业控制计算机式，但无论是哪一种方式都具有操作方便、准确、抗干扰力强等优点。特别是通信技术的应用，更是降低了线路的复杂，使得系统更灵活。 3 速度链设计要求 （1）精度 速度链要求有一定的精度，也就是设定运行速度的给定精度。根据纸机传动控制要求和实际经验，一般传动控制速度链精度应在0.01～０.04%，与纸页的伸缩率有关。 （２）速度链结构 速度链结构要求可以形成分支子链，纸机速度链结构是以主链为主的多分支结构。 4 模拟式速度链 4.1 模拟式速度链的原理 模拟式速度链的原理图如图1，图１中RW1为速度总调电位器，IC1～ICn为运算放大器，要说明的是，此图为考虑输出信号的极性，在实际中应加以考虑，RW2～Rwn为各分布传动点的速度微调电位器，U01～U0n为速度给定信号接各传动点的电机驱动装置。 图1 模拟式速度链的原理图 4.2 速度的调整 当系统需要改变车速时，调节电位器RW1，则IC1的输出V01也随之改变，同时V01又是IC2的输入信号，V01改变则V02同时改变这样一级一级的向后传，调节RW1则V01～V0n均跟着改变，即改变了各传动点驱动器的给定信号，从而改变各传动点的速度。由于这种速度链易受干扰，如信号传输距离较远，最好把V01～V0n转换为电流信号。 4.3 速差的实现 前面已经分析速度的调节在纸机传动中，各相邻两传动点的速度之比并非为1∶1，因此对速度链要求不但能改变速度，而且要求能够改变速差，在模拟式速度链中，是通过调节电位器RW2～RWn来调节速差的，也就是速度微调。以第二级来说IC2的放大倍数KP2=(R22+RW2)/R21如果R21=R22+RW2则KP2=1，V01=V02则此时第一级与第二级速度相等，调节电位器Rw2，R21≠R22+RW2，则V01≠V02此时第一级与第级速度不等，即可实现速差控制。 由于模拟式速度链存在操作不便，易受干扰等缺陷，因此现在已基本上不使用了，只有在部分小型纸机中还在应用。 5 数字式速度链 前面已讲过数字式速度链有多种形式，下面将分别作以介绍。 5.1 电动电位器型的速度链 该速度链的构成如图2所示：它主要利用交流驱动装置本身所具有的数字频率输入功能来解决速度级联问题（如三菱变频器的遥控功能、ABB变频器的电动电位器功能）。图2中只画出了速度增加部分，速度减少部分与此完全相同。这种速度链的优点在于系统工作可靠，变频器的频率设定直接由数字信号设定，克服了模拟信号易受干扰的缺点。K01～K0n为AC24V的继电器。也可以根据用户的要求用PLC来完成以提高系统的可靠性和简化系统结构。 图2 电动电位器型速度链的构成图 5.2 全数字速度链控制器类型的速度链 全数字速度链控制器是单片计算机产品，是利用单片机技术开发的多传动同步控制器。利用它们来完成纸机传动速度链控制。如图3就是利用全数字速度链控制器级联来实现速度链。其优点在于可以实用于各种类型的变频器，实现了全数字化操作，并可以实现开闭环控制等。提高了系统的控制精度和系统的抗干扰能力。图中只给出了压光和卷取两点的应用。 图3 全数字速度链控制器 6 基于PLC、工业控制计算机通讯控制的速度链 随着计算机通讯技术的发展，纸机传动控制过程中广泛采用通讯控制方式，利用RS485总线或现场总线CAN总线、Profibus-DP总线与变频器通讯完成纸机传动控制。传动控制中心一般采用PLC。速度链控制由PLC内部软件来实现。软件设计可以有多种方法。下面介绍一种设计方法说明PLC速度链的软件设计。 6.1 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。故只须对位置寄存器初始化，即可构成任意分支速度链。 6.2 算法设计 算法设计采用了调节变比的控制方法。如图5所示，纸机第一分部点作为速度链中的主节点，即它的速度就是整个纸机的工作车速，则其速度调节就调节了整个纸机车速。在 PLC内，当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运行值。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5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。 这种速度链的设计不仅只是为实现纸机传动控制要求，而且为后续的计算机优化控制提供了可能。在PLC内部有非常精确的传动变比，设计为精度为0.001%，通过设定参数可以做到更高。这样有精确的传动变比上位计算机可以精确地记忆纸机传动过程参数，当需要更换品种或车速时，上位计算机可以准确地将纸机运行参数传入到PLC，由PLC执行，将纸机调整到当前工作状态。 图5 调节变比的控制图 7 结束语 造纸机传动系统各个传动点几样保持速度的一致性，又要有一定的速差。本文就造纸机传动控制系统的核心内容之一的速度链的原理及设计，依据其发展的不同阶段举出几个实例并给出分析，供本行业工程技术人员参考。 信息来源于：变频器世界