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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。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，在維持速度鏈關系基礎上，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，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

圖4 主程序流程圖

    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。
               M=
 其中：      ML1 、ML2 是壓榨、烘缸電機實際輸出轉(zhuǎn)矩；
                 Pe1 、Pe2 是壓榨、烘缸臺電機額定功率；
                 M    為負荷平均期望轉(zhuǎn)矩

    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。

    設置最大限幅值，如果負荷偏差超過該設定值，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)絡組態(tài)與通訊
 
    本系統(tǒng)通過STRP7軟件實現(xiàn)網(wǎng)絡組態(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軟件設計上位機采用SIEMENS的WINCC軟件設計，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)絡采用RS485傳輸技術，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)正常運行和設備安全。

5 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、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。