摘要：本文應(yīng)用森蘭SB80系列變頻器和西門子S7-200PLC組成的文化紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)，通過軟、硬件設(shè)計,較好的實(shí)現(xiàn)了紙機(jī)電氣傳動控制系統(tǒng)中的負(fù)荷分配、速度鏈、張力控制等功能。這種基于S7-200PLC的全數(shù)字控制系統(tǒng)適用中、高速紙機(jī)的速度、可靠性等控制性能的需要。
關(guān)鍵詞：造紙機(jī) 森蘭變頻器 傳動系統(tǒng) 設(shè)計
keywords paper machine sen lan inverter transmission system design

引言 隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，制漿造紙業(yè)已經(jīng)成為我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)增長的重要支柱，早期的造紙生產(chǎn)產(chǎn)量較低，對電控沒有太高要求，隨著造紙規(guī)模的擴(kuò)大，對造紙機(jī)的產(chǎn)量及速度要求越來越高，從而對紙機(jī)配套電控系統(tǒng)的要求也越來越高.本文采用森蘭SB80系列變頻器和西門子S7-200 PLC組成一套文化紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)。通過可編程邏輯控制器（PLC）和變頻器之間的通信，控制傳動點(diǎn)的啟動、停止、增速、減速、緊紙等操作，由軟件自動實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配、速度鏈等功能，充分滿足造紙工藝及電控的需要。

1 紙機(jī)對電氣傳動控制系統(tǒng)的要求

1．1 該機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1示。紙機(jī)為1760/250 m/min長網(wǎng)多缸文化紙機(jī)，生產(chǎn)40～65g/m2高級文化用紙，穩(wěn)態(tài)精度≤0.01%。

圖1 結(jié)構(gòu)簡圖
1.2為了能生產(chǎn)出質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)較高的產(chǎn)品，紙機(jī)對電氣傳動系統(tǒng)提出如下的要求：

（1） 紙機(jī)工作速度要有較大的調(diào)節(jié)范圍，為了使造紙機(jī)具有較強(qiáng)的產(chǎn)品、原料的適應(yīng)性（如打漿度、漿料配比與種類、定量、紙種等），紙機(jī)傳動可在較大的范圍內(nèi)均勻的調(diào)節(jié)速度，調(diào)節(jié)范圍為1:8；

（2） 車速要有較高的穩(wěn)定裕度，總車速提升、下降要平穩(wěn)。為了穩(wěn)定紙頁的定量和和質(zhì)量、減少紙幅斷頭，要求紙機(jī)穩(wěn)速精度為±0.05～0.01%；

（3） 速差控制，速比可調(diào)、穩(wěn)定。紙幅在網(wǎng)部和壓榨部時，其縱向伸長橫向收縮，而在烘干部時，兩向都收縮，因此紙機(jī)各分部的線速度稍有差異，即速差。速差在一定范圍內(nèi)變化不引起紙頁質(zhì)量的突變。此時的速差對成紙來說，主要影響紙頁的克重。誤差應(yīng)控制在0.1%以內(nèi)保持紙張不被拉斷。紙機(jī)各分部的速比的最大波動值與漿料配比、定量、車速、生產(chǎn)工藝、紙頁收縮率及分部之間的紙幅無承托引段的張力等因素有關(guān)。因此，造紙機(jī)各相鄰分部間應(yīng)有適當(dāng)?shù)乃俨顏硇纬闪己玫募堩摗＜垯C(jī)各分部的速度必須是可以調(diào)節(jié)的，為±10～15%。利于工作時調(diào)整。為了生產(chǎn)較高質(zhì)量的紙幅和減少斷頭率，還要保持各分部間速比的穩(wěn)定；

（4） 各分部點(diǎn)具有速度微升、微降功能，引紙操作時的緊紙、松紙功能。具有剛性聯(lián)結(jié)或軟聯(lián)結(jié)的傳動分部，如網(wǎng)部、壓榨部、施膠部，能進(jìn)行負(fù)荷動態(tài)調(diào)節(jié)。防止某點(diǎn)的速度發(fā)生變化而引起負(fù)荷在分部內(nèi)動態(tài)轉(zhuǎn)移，如不及時進(jìn)行自動的調(diào)節(jié)（因為現(xiàn)在使用的變頻器基本上都不具備長期四象限運(yùn)行能力），有的傳動點(diǎn)負(fù)載可能超過它自身的功率范圍引起過流發(fā)生，有的傳動點(diǎn)被拖動而引起過高的泵升電壓，導(dǎo)致變頻器過壓而保護(hù)跳閘，甚至損壞變頻器和損壞毛布。同時在這些分部中，應(yīng)具有單動、聯(lián)動功能，并可以同時起動、停止。必要的顯示功能，如線速度、電流或轉(zhuǎn)矩、運(yùn)行信號、故障信號等；

（5） 爬行速度。 為了檢修和清洗聚酯網(wǎng)、壓榨毛毯、干網(wǎng)以及各分部的運(yùn)行工況，各分部應(yīng)有15～50m/min可調(diào)的爬行速度，但不宜在此速度下長時間運(yùn)行；

（6） 紙機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載性質(zhì)，要選擇具有恒轉(zhuǎn)矩控制性能的變頻器，并具有較高的分辨率，良好的通訊能力，并采用PLC作為控制單元，實(shí)現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)的可靠、協(xié)調(diào)的控制，以滿足紙機(jī)控制系通正常工作的需要。

2 控制系統(tǒng)組成

系統(tǒng)原理圖如圖2所示 。該紙機(jī)傳動系統(tǒng)采用由S7-226小型PLC作為系統(tǒng)的控制中心；由功能較強(qiáng)大的森蘭SB80系列變頻器為驅(qū)動單元，頻率分辨率為0.01Hz以上；變頻專用電機(jī)作為執(zhí)行單元；歐姆龍編碼器提供速度反饋信號，使紙機(jī)傳動在速度閉環(huán)運(yùn)行模式下，從而使控制系統(tǒng)穩(wěn)速精度達(dá)到0.01%。由PLC通過西門子MODUBUS協(xié)議、RS485網(wǎng)絡(luò)與變頻器實(shí)現(xiàn)速度鏈功能、速差控制、負(fù)荷分配功能、總車速升、降、各分部點(diǎn)的速度升、降及緊紙、松紙等功能，較理想地滿足紙機(jī)正常工作的需求。

圖2 系統(tǒng)原理圖
森蘭SB80系列變頻器采用TI推出的32位150MIPS的高速電機(jī)控制專用DSP和自主開發(fā)的嵌入式實(shí)時軟件操作系統(tǒng)；電機(jī)控制理論的先進(jìn)性——轉(zhuǎn)子磁場定向和精確磁通觀測器的閉環(huán)電流矢量控制；整機(jī)設(shè)計的先進(jìn)性——高啟動轉(zhuǎn)矩、高過載能力、高速電流限制等。森蘭SB80能滿足各種苛刻工況下的電機(jī)控制，廣泛應(yīng)用于恒轉(zhuǎn)矩控制、位置控制、張力和卷繞控制、紡織應(yīng)用等領(lǐng)域。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計基于以下原則：1 程序模塊化結(jié)構(gòu)化設(shè)計，其中負(fù)荷分配、速度增減、初始化、緊紙、速比計算、校驗、數(shù)據(jù)發(fā)送、接收等作為子程序調(diào)用;2 程序采用循環(huán)掃描的方式對傳動點(diǎn)進(jìn)行處理，簡化程序，提高程序執(zhí)行效率;3 采用中斷子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收;確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確快速的傳輸;4 必要的軟件保護(hù)措施，以免造成重大機(jī)械損害。

因此該程序通用性強(qiáng)，可移植性好，使用不同的變頻器，只須進(jìn)行相應(yīng)協(xié)議的格式的定義。即數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、校驗程序的相應(yīng)修改即可，滿足紙機(jī)運(yùn)行的需要。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖
3.1 速度鏈設(shè)計及速差控制

速度鏈結(jié)構(gòu)采用二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，完成數(shù)據(jù)傳遞功能。首先對各傳動點(diǎn)位置進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，確定速度鏈中各傳動點(diǎn)編號，此編號應(yīng)與變頻器內(nèi)部地址一致。然后根據(jù)二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確定各結(jié)點(diǎn)的上下、左或右編號。即任一傳動點(diǎn)由3個數(shù)據(jù)（“父子兄”或“父子弟”）確定其在速度鏈中的位置，填入位置寄存器數(shù)值。如圖4所示。

該傳動點(diǎn)速度給變頻器后，訪問位置寄存器，確定子寄存器結(jié)點(diǎn)號，若不為0，則對該經(jīng)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)處理，直到該鏈完全處理完；再查兄弟寄存器結(jié)點(diǎn)號，處理另一支鏈。所以只須對位置寄存器初始化，即可構(gòu)成具有任意分支結(jié)構(gòu)的速度鏈。

算法設(shè)計采用了調(diào)節(jié)變比的控制方法。如圖五所示，紙機(jī)二壓點(diǎn)作為速度鏈中的主節(jié)點(diǎn)，它的速度就是整個紙機(jī)的工作車速。在 PLC內(nèi)，我們通過通信檢測到車速調(diào)節(jié)信號則改變車速單元值，同時送給驅(qū)網(wǎng)、吸移、真壓、一壓分部，其速度值乘以相應(yīng)的速比，即是該傳動點(diǎn)的速度運(yùn)行值。若某一分部速度不滿足運(yùn)行要求，說明該分部變比不合適，可通過操作該分部的加速、減速按鈕實(shí)現(xiàn)，PLC檢測到按鈕信號后調(diào)整了變比，使其適應(yīng)傳動點(diǎn)間的速差控制要求。相當(dāng)于在PLC內(nèi)部有一個高精度的齒輪變速箱，可以任意無級調(diào)速。