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圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖

該紙機(jī)正常運(yùn)行對電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求基本有以下幾點(diǎn)。

    1.1紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)要有一定的穩(wěn)速精度和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。其中穩(wěn)態(tài)精度±0.02-- 0.01%，動(dòng)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(dòng)分部間速比穩(wěn)定、可調(diào)。為了使紙機(jī)可以生產(chǎn)良好的紙頁和提高紙機(jī)正常工作時(shí)間，紙機(jī)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(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不宜過長，以減少無效的運(yùn)行和機(jī)械磨損；

    1.5 具有剛性或柔性連接的傳動(dòng)分部間，在維持速度鏈關(guān)系基礎(chǔ)上，還須具有負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)整的功能，以免造成由于負(fù)荷動(dòng)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(yùn)行、故障信號等。相關(guān)聯(lián)的分部具有單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)功能；

    1.7 紙機(jī)傳動(dòng)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(jī)及工廠管理級計(jì)算機(jī)；

2 紙機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    我們的選型原則是：優(yōu)化設(shè)計(jì)，程序通用化，界面美觀化，使整個(gè)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高、魯棒性強(qiáng)。
紙機(jī)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(dòng)控制，三級控制方式。第一級為驅(qū)動(dòng)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(dá)19.2Kbit/s，并完成自動(dòng)卷取及輔助部分的機(jī)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(jī),用于紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)整個(gè)紙機(jī)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)紙機(jī)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(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(shí)間、高性價(jià)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(gè)系統(tǒng)。上位機(jī)選用采用DELL工控機(jī),配置為“PIV2.0G/21”，用于紙機(jī)傳動(dòng)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(jì)緊湊，節(jié)省空間，給用戶提供強(qiáng)大的電機(jī)速度控制功能，最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)150%的電機(jī)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(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、基本邏輯和步序邏輯功能可以減少硬件設(shè)計(jì)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(jì)可較理想地滿足該機(jī)的高傳動(dòng)性能的需要。該紙機(jī)的電氣控制原理圖如圖3所示。

圖3 紙機(jī)電氣控制原理圖

圖4 主程序流程圖

    該紙機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上有柔性聯(lián)結(jié)的傳動(dòng)點(diǎn)，烘缸部和壓榨部。它們之間不僅要求速度同步還需要負(fù)載率均衡，否則會(huì)造成一個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)由于過載而過流，而另一傳動(dòng)點(diǎn)則由于被帶動(dòng)而過壓，影響正常抄紙，甚至可能撕壞毛布，損壞變頻器、機(jī)械設(shè)備。因此這兩個(gè)傳動(dòng)部分的傳動(dòng)點(diǎn)之間需要負(fù)荷分配自動(dòng)控制。

    負(fù)荷分配工作原理：假設(shè)P1e、P2e為兩臺(tái)電機(jī)額定功率，Pe為額定總負(fù)載功率，Pe= P1e+P2e 。P為實(shí)際總負(fù)載功率，P1、P2為電機(jī)實(shí)際負(fù)載功率，則P= P1+ P2。系統(tǒng)工作要求 P1=P*P1e/Pe ，P2=P*P2e/Pe，兩個(gè)值相差≤3%。
由于電機(jī)功率是一間控制接量。實(shí)際控制以電機(jī)定子轉(zhuǎn)矩代替電機(jī)功率進(jìn)行計(jì)算。

    PLC采樣各分部電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，計(jì)算每一組的總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩，根據(jù)總負(fù)荷轉(zhuǎn)矩計(jì)算負(fù)載平衡時(shí)的期望轉(zhuǎn)矩值。計(jì)算平均負(fù)荷轉(zhuǎn)矩方法如下公式所示。
               M=
 其中：      ML1 、ML2 是壓榨、烘缸電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩；
                 Pe1 、Pe2 是壓榨、烘缸臺(tái)電機(jī)額定功率；
                 M    為負(fù)荷平均期望轉(zhuǎn)矩

    PLC通過Modbus總線得到電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)矩百分比一致。即完成負(fù)荷自動(dòng)分配的目標(biāo)。

    設(shè)置最大限幅值，如果負(fù)荷偏差超過該設(shè)定值，要停機(jī)處理，以防機(jī)械、電氣損害發(fā)生。負(fù)荷分配控制實(shí)現(xiàn)的前提是合理的速度鏈結(jié)構(gòu)，使負(fù)荷分配的傳動(dòng)點(diǎn)組處于子鏈結(jié)構(gòu)上，該部負(fù)荷調(diào)整時(shí)，不影響其它的傳動(dòng)點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，用STEP7創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，先選擇PLC的類型，并添加MPI總線、操作屏、工控機(jī)、并為變頻器分配網(wǎng)絡(luò)地址。

    在該系統(tǒng)中上位機(jī)、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(diǎn)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(jì)上位機(jī)采用SIEMENS的WINCC軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對整機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

    上位機(jī)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(jī)、電、液一體化設(shè)計(jì)

    輔助部分的機(jī)、電、液一體化、連鎖及保護(hù)、卷紙機(jī)自動(dòng)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(yùn)行和設(shè)備安全。

5 結(jié) 語
    
    該紙機(jī)在山東一造紙廠經(jīng)近一年多的實(shí)際紙機(jī)運(yùn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)的穩(wěn)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、負(fù)荷分配效果、紙頁質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性等指標(biāo)都得到了用戶的肯定。這種基于AB變頻器和S7-300PLC的紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)是可行的、合理的。