基于ABB變頻器的造紙機傳動系統設計
摘要: 介紹了應用ABB ACS800 變頻器設計的造紙機電氣傳動控制系統。通過對硬件、軟件的設計———負荷分配、速度鏈設計等問題進行較為詳細地描述，較好地實現了系統控制要求。這種基于PLC和變頻器的全數字控制系統適用高速紙機的高速度、高可靠性控制性能的需要?！ ?BR> 關鍵詞:造紙機；變頻器；速度鏈；負荷分配
0 引言
應用ABB變頻器和西門子PLC所組成的裝置來組成造紙機的電氣控制系統；其電氣傳動控制系統是基于S7-200 PLC控制的交流變頻調速控制系統。
1 紙機對電氣傳動控制系統的要求
該造紙機主要的技術數據如下。
紙種：文化紙定量52~80g/m2；
最高車速：350m/min
爬行速度：<40m/min可調；
升減速時間：0.1~1000s可調；
工作電壓：額定電壓的±10%；
電源頻率：50Hz±5%；
靜態精度：≤0.1%；
頻率漂移：≤0.1%；
頻率分辨率：0.01Hz；
頻率控制：0~50Hz；
起動轉矩：額定轉矩的200%；
左、右手機：右手機。
該紙機的18個傳動點，分別由18臺交流電機單獨拖動，每臺交流電動機由ABB 全數字變頻調速裝置驅動，閉環控制。系統的控制采用PLC 作為控制核心，由PLC 對操作臺上每一傳動點的操作信號進行處理（每個傳動點在操作臺上都設有：速度增加、速度減少、緊紙、爬行/運行等操作按鈕），并把相應的速度信號以通信的方式傳送給變頻器。同時，還對伏輥、驅網、吸移、真空壓榨、一壓、二壓分別進行負荷分配控制。另外，在操作臺上還顯示每一傳動點的車速及工作電流，并具有運行、故障指示。
紙機正常運行對電氣傳動控制系統的要求基本有以下幾點：
1）紙機傳動系統要有一定的穩速精度和快速動態響應。其中穩態精度±（0.02~0.01）%，動態精度0.1%~0.05%；
2）工作速度要有較寬、均勻的調節范圍，適應生產不同品種、定量的需要。調節范圍為I=1：10之間；
3）各傳動分部間速比穩定、可調。為了使紙機可以生產出良好的紙頁和延長紙機正常工作時間，紙機各分部的速度必須是穩定、可調的。各分部的調速范圍為±（8～10）%；
4）爬行速度。為了方便檢查、清洗聚酯網、壓榨毛毯以及檢查各分部的運行情況，各分部應具有15～30m/min可調的爬行速度。但這樣低速運轉時間不宜過長，以減少無效的運行和機械磨損；
5）具有剛性或柔性連接的傳動分部間，在維持速度鏈關系的基礎上，還須具有負荷動態調整的功能，以免造成由于負荷動態轉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，應具有必要的顯示功能，如線速度、電流、運行、故障信號等。相關聯的分部具有單動、聯動功能?！ ?BR> 2 紙機電氣傳動控制系統的設計
2.1 系統硬件選擇與設計
硬件選擇依據系統的控制精度、通訊速度、響應時間、高性價比、高可靠性的原則，選用SIEMENS S7-200 PLC 及CP 226通信處理器，作為系統主控單元，控制整個系統。該紙機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變頻器采用先進的DTC控制技術，內置直流電抗器，從而降低進線電源的高次諧波含量，最大起動轉矩可達200%的電機額定轉矩；ACS800 的動態轉速誤差，閉環時為0.05%，靜態精度為0.01%。動態轉矩的階躍響應時間，閉環時達到1~5ms?？奢^理想地滿足該機的高傳動性能的需要?！ ?BR> 2.1.2反饋與速度控制
系統為了降低成本，選擇了ABBACS800 和ACS400 混合配置。由于ACS400本身不帶速度反饋接口，為了實現速度閉環控制，需另外加反饋裝置。本系統選用了由陜西科技大學自行設計的脈沖頻率電流變換單元，它能把測速脈沖轉換為電流信號輸入到變頻器中去，利用變頻器內部的過程控制軟件實現速度變換控制?！ ?BR> 這種方法的缺點是對于大慣性負載，如烘缸的負載擾動超調量和動態恢復時間較長。對調整帶來一定的不便，在使用中還要保持一定的工藝條件穩定。如果工藝變化頻繁或波動較大時，應轉入開環控制。
2.1.3繼電控制
起／停和爬行／運行控制不進PLC，一方面節省I/O接口，另外也是工藝上適應的一種設計。不論紙機大小，都要求每一傳動點能獨立起/ 停和爬行/ 運行操作。所以，如果進入PLC 進行連動設計，看起來自動化程度高了，但實際不實用。因為在全線開機前為了保證安全和設備的試運轉，一般都采用單機起動或停止操作，這樣有利于發現故障和減少事故。故障保護及指示回路同樣采用繼電回路設計?！ ?BR> 2.2 系統的軟件設計與功能實現
程序模塊化結構設計，各種功能以子程序結構適時調用實現；程序采用循環掃描方式對速度鏈上的傳動點進行處理，提高程序執行效率；程序設計通用性強，并具有必要的保護功能和一定的智能性。主程序的流程如圖4示。
2.2.1速度鏈設計
1) 速度鏈結構設計
速度鏈結構采用二叉樹數據結構算法，先對各傳動點進行數學抽象，確定速度鏈中各傳動點編號，此編號應與變頻器設定的地址一致。即任一傳動點由3個數據（“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的數值。由此可構成能滿足該機正常工作需要的速度鏈結構?！ ?BR> 2) 算法設計
速度鏈的設計采用了調節變比的控制方法實現速度鏈功能，把壓榨作為速度鏈中的主節點。該點速度即紙機的工作車速，調節其速度即調節整機車速。其它各分部點的速度由該點車速乘以相應的變比得到。由PLC 檢測其它分部車速調節信號，通過進行該部增、減按紐的操作改變其速比，從而改變相應分部的車速。
2.2.2 負荷分配設計
該紙機傳動結構上有柔性聯結的傳動點，烘缸部和壓榨部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?！ ?BR> 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%。
由于電機功率是個間接量控制。實際控制以電機定子轉矩代替電機功率進行計算?！ ?BR> PLC 采樣各分部電機的轉矩，計算每一組的總負荷轉矩，根據總負荷轉矩計算負載平衡時的期望轉矩值。計算平均負荷轉矩方法如下式（1）所示：
M= Pe1×Mi1+Pe2×Mi2 Pe1+Pe2 ?。?）
其中ML1、ML2是壓榨、烘缺電機實際輸出轉矩；
P1e、P2e是壓榨、烘缸臺電機額定功率；
M為負荷平均期望轉矩?！ ?BR> PLC 通過Modbus 總線得到電機轉矩，利用上述原理再施以PID算法，調節變頻器的輸出，使兩電機轉矩百分比一致、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、電氣損害發生。負荷分配控制實現的前提是合理的速度鏈結構，使負荷分配的傳動點組處于子鏈結構上，該部負荷調整時，不影響其它的傳動點，因此速度鏈結構是采用主鏈與子鏈相結合的形式?！ ?BR> 2.3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、稀油站潤滑系統等輔助電氣系統協調工作，以保證系統正常運行和設備安全?！ ?BR> 3 系統調試
本系統的調試分為三部分。一個是繼電回路調試，另外是軟件調試、負荷分配調試及速度測試等。以下簡要介紹后兩個問題的調試方法?！ ?BR> 3.1 軟件調試
軟件調試第一步，驗證PLC 動作是否正常，可以在連通整個系統的情況下觀察變頻器的顯示頻率進行驗證。如在I/O 端口上加上開關信號，觀察應當動作的變頻器單元，看是否按要求對頻率進行了調整。第二步，試驗負荷分配的動作，方向是否與設計一致?？梢栽诙俗由霞有盘柺闺娏髟黾踊驕p少，如果按計算，相應的傳動點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誤率代碼，做必要的線路處理?！ ?BR> 3.2系統動作時間測試
將系統的第一級、中間一級和最后一級接上速度表，然后以各點的加/減速按鈕來檢查頻率變化情況。當按下按鈕后應沒有明顯的滯后感,否則應檢查程序和硬件線路，如前面所提到的，采用I/O 端掃描，其速度反應在最壞情況下應在數百ms 以內，否則會感到操作不方便?！ ?BR> 4 結語
該紙機在山東一造紙廠經過近一年多的實際紙機運行驗證，系統的穩速精度、動態響應、負荷分配效果、紙頁質量、系統穩定性、可靠性等指標都得到了用戶的肯定。實踐表明，這種基于ABB變頻器和S7-200PLC 的紙機傳動控制系統是可行的、合理的。
0 引言
應用ABB變頻器和西門子PLC所組成的裝置來組成造紙機的電氣控制系統；其電氣傳動控制系統是基于S7-200 PLC控制的交流變頻調速控制系統。
1 紙機對電氣傳動控制系統的要求
該造紙機主要的技術數據如下。
紙種：文化紙定量52~80g/m2；
最高車速：350m/min
爬行速度：<40m/min可調；
升減速時間：0.1~1000s可調；
工作電壓：額定電壓的±10%；
電源頻率：50Hz±5%；
靜態精度：≤0.1%；
頻率漂移：≤0.1%；
頻率分辨率：0.01Hz；
頻率控制：0~50Hz；
起動轉矩：額定轉矩的200%；
左、右手機：右手機。
該紙機的18個傳動點，分別由18臺交流電機單獨拖動，每臺交流電動機由ABB 全數字變頻調速裝置驅動，閉環控制。系統的控制采用PLC 作為控制核心，由PLC 對操作臺上每一傳動點的操作信號進行處理（每個傳動點在操作臺上都設有：速度增加、速度減少、緊紙、爬行/運行等操作按鈕），并把相應的速度信號以通信的方式傳送給變頻器。同時，還對伏輥、驅網、吸移、真空壓榨、一壓、二壓分別進行負荷分配控制。另外，在操作臺上還顯示每一傳動點的車速及工作電流，并具有運行、故障指示。
紙機正常運行對電氣傳動控制系統的要求基本有以下幾點：
1）紙機傳動系統要有一定的穩速精度和快速動態響應。其中穩態精度±（0.02~0.01）%，動態精度0.1%~0.05%；
2）工作速度要有較寬、均勻的調節范圍，適應生產不同品種、定量的需要。調節范圍為I=1：10之間；
3）各傳動分部間速比穩定、可調。為了使紙機可以生產出良好的紙頁和延長紙機正常工作時間，紙機各分部的速度必須是穩定、可調的。各分部的調速范圍為±（8～10）%；
4）爬行速度。為了方便檢查、清洗聚酯網、壓榨毛毯以及檢查各分部的運行情況，各分部應具有15～30m/min可調的爬行速度。但這樣低速運轉時間不宜過長，以減少無效的運行和機械磨損；
5）具有剛性或柔性連接的傳動分部間，在維持速度鏈關系的基礎上，還須具有負荷動態調整的功能，以免造成由于負荷動態轉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，應具有必要的顯示功能，如線速度、電流、運行、故障信號等。相關聯的分部具有單動、聯動功能?！ ?BR> 2 紙機電氣傳動控制系統的設計
2.1 系統硬件選擇與設計
硬件選擇依據系統的控制精度、通訊速度、響應時間、高性價比、高可靠性的原則，選用SIEMENS S7-200 PLC 及CP 226通信處理器，作為系統主控單元，控制整個系統。該紙機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變頻器采用先進的DTC控制技術，內置直流電抗器，從而降低進線電源的高次諧波含量，最大起動轉矩可達200%的電機額定轉矩；ACS800 的動態轉速誤差，閉環時為0.05%，靜態精度為0.01%。動態轉矩的階躍響應時間，閉環時達到1~5ms?？奢^理想地滿足該機的高傳動性能的需要?！ ?BR> 2.1.2反饋與速度控制
系統為了降低成本，選擇了ABBACS800 和ACS400 混合配置。由于ACS400本身不帶速度反饋接口，為了實現速度閉環控制，需另外加反饋裝置。本系統選用了由陜西科技大學自行設計的脈沖頻率電流變換單元，它能把測速脈沖轉換為電流信號輸入到變頻器中去，利用變頻器內部的過程控制軟件實現速度變換控制?！ ?BR> 這種方法的缺點是對于大慣性負載，如烘缸的負載擾動超調量和動態恢復時間較長。對調整帶來一定的不便，在使用中還要保持一定的工藝條件穩定。如果工藝變化頻繁或波動較大時，應轉入開環控制。
2.1.3繼電控制
起／停和爬行／運行控制不進PLC，一方面節省I/O接口，另外也是工藝上適應的一種設計。不論紙機大小，都要求每一傳動點能獨立起/ 停和爬行/ 運行操作。所以，如果進入PLC 進行連動設計，看起來自動化程度高了，但實際不實用。因為在全線開機前為了保證安全和設備的試運轉，一般都采用單機起動或停止操作，這樣有利于發現故障和減少事故。故障保護及指示回路同樣采用繼電回路設計?！ ?BR> 2.2 系統的軟件設計與功能實現
程序模塊化結構設計，各種功能以子程序結構適時調用實現；程序采用循環掃描方式對速度鏈上的傳動點進行處理，提高程序執行效率；程序設計通用性強，并具有必要的保護功能和一定的智能性。主程序的流程如圖4示。
2.2.1速度鏈設計
1) 速度鏈結構設計
速度鏈結構采用二叉樹數據結構算法，先對各傳動點進行數學抽象，確定速度鏈中各傳動點編號，此編號應與變頻器設定的地址一致。即任一傳動點由3個數據（“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的數值。由此可構成能滿足該機正常工作需要的速度鏈結構?！ ?BR> 2) 算法設計
速度鏈的設計采用了調節變比的控制方法實現速度鏈功能，把壓榨作為速度鏈中的主節點。該點速度即紙機的工作車速，調節其速度即調節整機車速。其它各分部點的速度由該點車速乘以相應的變比得到。由PLC 檢測其它分部車速調節信號，通過進行該部增、減按紐的操作改變其速比，從而改變相應分部的車速。
2.2.2 負荷分配設計
該紙機傳動結構上有柔性聯結的傳動點，烘缸部和壓榨部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?！ ?BR> 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%。
由于電機功率是個間接量控制。實際控制以電機定子轉矩代替電機功率進行計算?！ ?BR> PLC 采樣各分部電機的轉矩，計算每一組的總負荷轉矩，根據總負荷轉矩計算負載平衡時的期望轉矩值。計算平均負荷轉矩方法如下式（1）所示：
M= Pe1×Mi1+Pe2×Mi2 Pe1+Pe2 ?。?）
其中ML1、ML2是壓榨、烘缺電機實際輸出轉矩；
P1e、P2e是壓榨、烘缸臺電機額定功率；
M為負荷平均期望轉矩?！ ?BR> PLC 通過Modbus 總線得到電機轉矩，利用上述原理再施以PID算法，調節變頻器的輸出，使兩電機轉矩百分比一致、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、電氣損害發生。負荷分配控制實現的前提是合理的速度鏈結構，使負荷分配的傳動點組處于子鏈結構上，該部負荷調整時，不影響其它的傳動點，因此速度鏈結構是采用主鏈與子鏈相結合的形式?！ ?BR> 2.3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、稀油站潤滑系統等輔助電氣系統協調工作，以保證系統正常運行和設備安全?！ ?BR> 3 系統調試
本系統的調試分為三部分。一個是繼電回路調試，另外是軟件調試、負荷分配調試及速度測試等。以下簡要介紹后兩個問題的調試方法?！ ?BR> 3.1 軟件調試
軟件調試第一步，驗證PLC 動作是否正常，可以在連通整個系統的情況下觀察變頻器的顯示頻率進行驗證。如在I/O 端口上加上開關信號，觀察應當動作的變頻器單元，看是否按要求對頻率進行了調整。第二步，試驗負荷分配的動作，方向是否與設計一致?？梢栽诙俗由霞有盘柺闺娏髟黾踊驕p少，如果按計算，相應的傳動點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誤率代碼，做必要的線路處理?！ ?BR> 3.2系統動作時間測試
將系統的第一級、中間一級和最后一級接上速度表，然后以各點的加/減速按鈕來檢查頻率變化情況。當按下按鈕后應沒有明顯的滯后感,否則應檢查程序和硬件線路，如前面所提到的，采用I/O 端掃描，其速度反應在最壞情況下應在數百ms 以內，否則會感到操作不方便?！ ?BR> 4 結語
該紙機在山東一造紙廠經過近一年多的實際紙機運行驗證，系統的穩速精度、動態響應、負荷分配效果、紙頁質量、系統穩定性、可靠性等指標都得到了用戶的肯定。實踐表明，這種基于ABB變頻器和S7-200PLC 的紙機傳動控制系統是可行的、合理的。
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