摘要: 介紹了應(yīng)用ABB ACS800 變頻器設(shè)計(jì)的造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)。通過對(duì)硬件、軟件的設(shè)計(jì)———負(fù)荷分配、速度鏈設(shè)計(jì)等問題進(jìn)行較為詳細(xì)地描述,較好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)控制要求。這種基于PLC和變頻器的全數(shù)字控制系統(tǒng)適用高速紙機(jī)的高速度、高可靠性控制性能的需要。
關(guān)鍵詞:造紙機(jī);變頻器;速度鏈;負(fù)荷分配
0 引言
應(yīng)用ABB變頻器和西門子PLC所組成的裝置來組成造紙機(jī)的電氣控制系統(tǒng);其電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)是基于S7-200 PLC控制的交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。
1 紙機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求
該造紙機(jī)主要的技術(shù)數(shù)據(jù)如下。
紙種:文化紙定量52~80g/m2;
最高車速:350m/min
爬行速度:<40m/min可調(diào);
升減速時(shí)間:0.1~1000s可調(diào);
工作電壓:額定電壓的±10%;
電源頻率:50Hz±5%;
靜態(tài)精度:≤0.1%;
頻率漂移:≤0.1%;
頻率分辨率:0.01Hz;
頻率控制:0~50Hz;
起動(dòng)轉(zhuǎn)矩:額定轉(zhuǎn)矩的200%;
左、右手機(jī):右手機(jī)。
該紙機(jī)的18個(gè)傳動(dòng)點(diǎn),分別由18臺(tái)交流電機(jī)單獨(dú)拖動(dòng),每臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)由ABB 全數(shù)字變頻調(diào)速裝置驅(qū)動(dòng),閉環(huán)控制。系統(tǒng)的控制采用PLC 作為控制核心,由PLC 對(duì)操作臺(tái)上每一傳動(dòng)點(diǎn)的操作信號(hào)進(jìn)行處理(每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)在操作臺(tái)上都設(shè)有:速度增加、速度減少、緊紙、爬行/運(yùn)行等操作按鈕),并把相應(yīng)的速度信號(hào)以通信的方式傳送給變頻器。同時(shí),還對(duì)伏輥、驅(qū)網(wǎng)、吸移、真空壓榨、一壓、二壓分別進(jìn)行負(fù)荷分配控制。另外,在操作臺(tái)上還顯示每一傳動(dòng)點(diǎn)的車速及工作電流,并具有運(yùn)行、故障指示。
紙機(jī)正常運(yùn)行對(duì)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求基本有以下幾點(diǎn):
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%;
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;
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)出良好的紙頁和延長紙機(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)%;
4)爬行速度。為了方便檢查、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15~30m/min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;
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)系的基礎(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;
6)各分部具有微升、微降功能,應(yīng)具有必要的顯示功能,如線速度、電流、運(yùn)行、故障信號(hào)等。相關(guān)聯(lián)的分部具有單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)功能。
2 紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)硬件選擇與設(shè)計(jì)
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
S7-200 PLC 及CP 226通信處理器,作為系統(tǒng)主控單元,控制整個(gè)系統(tǒng)。該紙機(jī)的電氣控制原理圖分別如圖2、圖3所示。
2.1.1 變頻器
變頻器選用ABB 公司的ACS800 系列高性能變頻器,ACS800變頻器采用先進(jìn)的DTC控制技術(shù),內(nèi)置直流電抗器,從而降低進(jìn)線電源的高次諧波含量,最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)200%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩;ACS800 的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差,閉環(huán)時(shí)為0.05%,靜態(tài)精度為0.01%。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的階躍響應(yīng)時(shí)間,閉環(huán)時(shí)達(dá)到1~5ms??奢^理想地滿足該機(jī)的高傳動(dòng)性能的需要。
2.1.2反饋與速度控制
系統(tǒng)為了降低成本,選擇了ABBACS800 和ACS400 混合配置。由于ACS400本身不帶速度反饋接口,為了實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制,需另外加反饋裝置。本系統(tǒng)選用了由陜西科技大學(xué)自行設(shè)計(jì)的脈沖頻率電流變換單元,它能把測(cè)速脈沖轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)輸入到變頻器中去,利用變頻器內(nèi)部的過程控制軟件實(shí)現(xiàn)速度變換控制。
這種方法的缺點(diǎn)是對(duì)于大慣性負(fù)載,如烘缸的負(fù)載擾動(dòng)超調(diào)量和動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間較長。對(duì)調(diào)整帶來一定的不便,在使用中還要保持一定的工藝條件穩(wěn)定。如果工藝變化頻繁或波動(dòng)較大時(shí),應(yīng)轉(zhuǎn)入開環(huán)控制。
2.1.3繼電控制
起/停和爬行/運(yùn)行控制不進(jìn)PLC,一方面節(jié)省I/O接口,另外也是工藝上適應(yīng)的一種設(shè)計(jì)。不論紙機(jī)大小,都要求每一傳動(dòng)點(diǎn)能獨(dú)立起/ 停和爬行/ 運(yùn)行操作。所以,如果進(jìn)入PLC 進(jìn)行連動(dòng)設(shè)計(jì),看起來自動(dòng)化程度高了,但實(shí)際不實(shí)用。因?yàn)樵谌€開機(jī)前為了保證安全和設(shè)備的試運(yùn)轉(zhuǎn),一般都采用單機(jī)起動(dòng)或停止操作,這樣有利于發(fā)現(xiàn)故障和減少事故。故障保護(hù)及指示回路同樣采用繼電回路設(shè)計(jì)。
2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)
程序模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),各種功能以子程序結(jié)構(gòu)適時(shí)調(diào)用實(shí)現(xiàn);程序采用循環(huán)掃描方式對(duì)速度鏈上的傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行處理,提高程序執(zhí)行效率;程序設(shè)計(jì)通用性強(qiáng),并具有必要的保護(hù)功能和一定的智能性。主程序的流程如圖4示。
2.2.1速度鏈設(shè)計(jì)
1) 速度鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
速度鏈結(jié)構(gòu)采用二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法,先對(duì)各傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象,確定速度鏈中各傳動(dòng)點(diǎn)編號(hào),此編號(hào)應(yīng)與變頻器設(shè)定的地址一致。即任一傳動(dòng)點(diǎn)由3個(gè)數(shù)據(jù)(“父子兄”或“父子弟”)確定其在速度鏈中的位置,填入位置寄存器相應(yīng)的數(shù)值。由此可構(gòu)成能滿足該機(jī)正常工作需要的速度鏈結(jié)構(gòu)。
2) 算法設(shè)計(jì)
速度鏈的設(shè)計(jì)采用了調(diào)節(jié)變比的控制方法實(shí)現(xiàn)速度鏈功能,把壓榨作為速度鏈中的主節(jié)點(diǎn)。該點(diǎn)速度即紙機(jī)的工作車速,調(diào)節(jié)其速度即調(diào)節(jié)整機(jī)車速。其它各分部點(diǎn)的速度由該點(diǎn)車速乘以相應(yīng)的變比得到。由PLC 檢測(cè)其它分部車速調(diào)節(jié)信號(hào),通過進(jìn)行該部增、減按紐的操作改變其速比,從而改變相應(yīng)分部的車速。
2.2.2 負(fù)荷分配設(shè)計(jì)
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)功率是個(gè)間接量控制。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)矩方法如下式(1)所示:
M= Pe1×Mi1+Pe2×Mi2 Pe1+Pe2 (1)
其中ML1、ML2是壓榨、烘缺電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩;
P1e、P2e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。
2.3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。
3 系統(tǒng)調(diào)試
本系統(tǒng)的調(diào)試分為三部分。一個(gè)是繼電回路調(diào)試,另外是軟件調(diào)試、負(fù)荷分配調(diào)試及速度測(cè)試等。以下簡要介紹后兩個(gè)問題的調(diào)試方法。
3.1 軟件調(diào)試
軟件調(diào)試第一步,驗(yàn)證PLC 動(dòng)作是否正常,可以在連通整個(gè)系統(tǒng)的情況下觀察變頻器的顯示頻率進(jìn)行驗(yàn)證。如在I/O 端口上加上開關(guān)信號(hào),觀察應(yīng)當(dāng)動(dòng)作的變頻器單元,看是否按要求對(duì)頻率進(jìn)行了調(diào)整。第二步,試驗(yàn)負(fù)荷分配的動(dòng)作,方向是否與設(shè)計(jì)一致??梢栽诙俗由霞有盘?hào)使電流增加或減少,如果按計(jì)算,相應(yīng)的傳動(dòng)點(diǎn)頻率變化則表示正常。最后檢查通訊的可靠性,可以從變頻器上讀出通訊的錯(cuò)誤率代碼,做必要的線路處理。
3.2系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間測(cè)試
將系統(tǒng)的第一級(jí)、中間一級(jí)和最后一級(jí)接上速度表,然后以各點(diǎn)的加/減速按鈕來檢查頻率變化情況。當(dāng)按下按鈕后應(yīng)沒有明顯的滯后感,否則應(yīng)檢查程序和硬件線路,如前面所提到的,采用I/O 端掃描,其速度反應(yīng)在最壞情況下應(yīng)在數(shù)百ms 以內(nèi),否則會(huì)感到操作不方便。
4 結(jié)語
該紙機(jī)在山東一造紙廠經(jīng)過近一年多的實(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。實(shí)踐表明,這種基于ABB變頻器和S7-200PLC 的紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)是可行的、合理的。
作者簡介
陳景文(1978-),男,助教,在讀研究生。研究方向:交直流電氣傳動(dòng)的控制理論與應(yīng)用。