一．前言

在國內(nèi)許多造紙廠家的造紙生產(chǎn)線制造工藝比較落后，特別是在電氣自動化方面，故障率較高，效率較低。主要問題體現(xiàn)如下：1.造紙機在生產(chǎn)過程中某分部傳動點負載慣量大，速度容易上下波動，造成斷紙；2.某些紙機傳動系統(tǒng)還采用模擬量信號作為速度給定源，信號干擾較大，不能達到精確控制的要求。對于以上存在的問題，案列采用ABB系列ACS880變頻器采用Profibus dp通訊控制紙機系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中對上面出現(xiàn)的問題進行深入研究和程序改進。并將改進的紙機傳動控制系統(tǒng)應用于。經(jīng)過回訪客戶，此控制系統(tǒng)，運行系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

二．ACS880變頻器簡介

　　ACS880傳動采用的核心技術(shù)是ABB最先進的電機控制技術(shù)一直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)，可以控制從交流感應電機到永磁電機的所有電機類型。這款工業(yè)傳動可以靈活配置，滿足制漿與造紙、冶金、船舶、物料搬運、采礦、水泥、電力、化工和石油天然氣等行業(yè)等不同行業(yè)的特定需求。

二.PROFIBUS簡介

　　PROFIBUS是SIEMENS提出的一個高層次工業(yè)控制現(xiàn)場總線標準。它既適合有高速時間要求的數(shù)據(jù)傳輸，也可用于大范圍的復雜通訊場合，現(xiàn)在已發(fā)展成一種開放式現(xiàn)場總線標準（德標DIN19245和歐標PREN50170）。按應用范圍有三種主要模塊，即PROFIBUS—FMS、PROFIBUS—DP和PRFIBUS—PA。它們均使用單一的總線存取協(xié)議，通過OSI參考模型的第2層實現(xiàn)包括數(shù)據(jù)的可靠性以及傳輸協(xié)議和報文的處理。

PROFIBUS—DP經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價的通信連接，專為設備級分散I／O之間通信設計，用于設備級的高速數(shù)據(jù)傳送，中央控制器通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設備(如I／O、驅(qū)動器、閥門等)進行通信，多數(shù)數(shù)據(jù)交換是周期性的，除此之外，智能化現(xiàn)場設備還需要非周期性通信，以進行配置、診斷和報警處理。使用PROFIBUS—DP模塊可取代價格昂貴的數(shù)字或模擬信號線,用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸。

2.變頻傳動系統(tǒng)硬件設計

2.1變頻傳動系統(tǒng)的總體設計方案

本系統(tǒng)以云南某造紙廠工程為例，按照客戶設計方案及工藝設計要求，幅寬4400mm，設計車速350m/min。紙機傳動點設計個數(shù)為12組，系統(tǒng)總體設計容量1249KW。傳動點名稱及電機容量如下表所示。

　　根據(jù)客戶要求及控制方案的綜合對比，采用的CPU313-2DP作為變頻傳動系統(tǒng)的總控制器,MPI/DP接口作為PROFIBUS-DP系統(tǒng)的通信接口，西門子KTP1000操作屏作為現(xiàn)場人機界面，采用ABB公司的ACS880變頻器作為各傳動單元，變頻器的通訊模塊選用FPBA-01通訊適配器?？偪刂破髋c各傳動單元之間采用PROFIBUS-DP進行通訊，人機界面與PLC之間采用MPI進行通訊。使用西門子公司研發(fā)的STEP7編程軟件對紙機變頻傳動系統(tǒng)進行軟件通訊組態(tài)設計和系統(tǒng)程序設計。

2.2可編程控制器的硬件接線

   為了提高造紙生產(chǎn)線的自動化程度，對影響造紙生產(chǎn)線的安全參數(shù)，增加電機風機聯(lián)鎖控制，因此本系統(tǒng)可編程控制器集成數(shù)字輸入32點、數(shù)字輸出32點。硬件接線設計數(shù)字量輸入如下1所示。

圖1 數(shù)字量輸入輸出模塊接線圖

2.3ACS880變頻器硬件接線

　　根據(jù)紙機傳動控制系統(tǒng)設計方案，12個傳動點變頻器接線大體相同，如圖2所示。

圖2 ACS880硬件接線圖

ACS880變頻器的硬件接線包括電機線、電機風機線、變頻器的急停控制端子、PROFIBUS通訊等接線。ACS880變頻器的主電源輸入由三相萬能式斷路器提供。

3.變頻傳動系統(tǒng)軟件功能設計

3.1控制系統(tǒng)硬件組態(tài)設計

　　本系統(tǒng)人機界面和PLC之間采用MPI進行通訊；各傳動單元和PLC之間采用PROFIBUS進行通訊。本文重點介紹PROFIBUS通訊硬件組態(tài)，使用SIMATIC編程軟件進行組態(tài)設計。軟件組態(tài)如圖3所示

圖3組態(tài)硬件

上圖所示，PROFIBUS-DP系統(tǒng)建立起來，記錄每個傳動點的站地址，并保存編輯，完成了PROFIBUS-DP系統(tǒng)建立。

3.2控制系統(tǒng)傳動點速度鏈設計

　　為了達到精度高、穩(wěn)定性好、操作方便的設計要求，必須研究變頻傳動系統(tǒng)速度鏈的控制原理。兩個相鄰傳動點的運行速度應保持在一定的比例中，在主點車速調(diào)整過程中，只影響本傳動點和后面的傳動點，而不影響前面各傳動點的速度，每個傳動點在前一級傳動點速度基礎上進行調(diào)整并將速度給定信號傳送給下級傳動點，形成一個鏈式結(jié)構(gòu)，稱為速度鏈。根據(jù)紙機傳動控制要求，傳動控制速度鏈精度應在0. 0 1 % - 0 . 0 4 % 之間,這與紙幅的伸縮率有關(guān)。本變頻傳動系統(tǒng)中速度鏈結(jié)構(gòu)設計采用二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)法，通過此方法完成速度鏈傳遞功能。首先對各傳動點控制工藝進行分析，確定傳動點在速度鏈中的具體位置和作用，然后對設計好的速度鏈中的傳動點進行通訊地址設置，并準確記錄地址號碼。本系統(tǒng)進過現(xiàn)場工藝情況分析，速度鏈設計如圖4所示。

圖4 速度鏈設計圖

此變頻傳動系統(tǒng)中驅(qū)網(wǎng)輥作為速度鏈中的總車速給定，驅(qū)網(wǎng)輥的速度是整個變頻傳動系統(tǒng)的工作車速，在變頻傳動系統(tǒng)的操作人機界面，改變驅(qū)網(wǎng)輥的運行車速給定值，就調(diào)節(jié)了整個紙機車速。驅(qū)網(wǎng)輥的速度給定值傳送給它的從點真空伏輥和下一分部主點一壓下輥。從點真空伏輥根據(jù)現(xiàn)場工藝情況，在人機界面通過速度微升微降調(diào)節(jié)，達到從點速度調(diào)節(jié)的目的。下一分部主點一壓下輥得到驅(qū)網(wǎng)輥的速度值，也通過人機界面進行速度調(diào)節(jié)，得到一壓下輥的速度給定值。一壓下輥將速度給定值傳送到自己的從點一壓上輥和下一分部主點二壓下輥。一壓上輥通過人機界面速度微升微降進行調(diào)節(jié)，達到從點速度調(diào)節(jié)的目的。就這樣依次類推，實現(xiàn)了整個速度鏈的速度給定和調(diào)節(jié)，構(gòu)成了速度鏈控制系統(tǒng)。其調(diào)節(jié)原理如圖5所示。

圖5 速度鏈原理圖

3.3主從傳動點負荷分配設計

在紙機運行過程中，有多臺電機同時拖動同一負載的現(xiàn)象，如壓榨部的一壓下輥、一壓上輥之間就形成負荷分配問題。此變頻傳動系統(tǒng)不能只要求速度完全同步，這樣并不能滿足工藝要求，各傳動點電機必須出力相同，否則會出現(xiàn)傳動點電機負載不一，甚至電動機成為發(fā)電機的情況，影響正常生產(chǎn)，甚至損壞壞毛布或造成抄紙困難。針對此問題，必須設計傳動點主點和從點負荷分配。紙機傳動控制系統(tǒng)的負荷分配要求系統(tǒng)速度穩(wěn)定、分配平衡、穩(wěn)定無振蕩、能夠隨時適應負載變化。本系統(tǒng)采用PLC＋變頻器二級傳動控制方式，PLC與變頻器通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡通訊，交換數(shù)據(jù)。負荷分配的設計原則是主點和從點電機的負載率相同，即δ＝P/Pa相同（P為電機所承擔的負載功率，Pa為電機額定功率）。在負荷分配調(diào)節(jié)過程中不能影響本傳動組以外各分部的速度。PLC通過通訊讀取主點和從點變頻器的實際轉(zhuǎn)矩反饋值，將實際轉(zhuǎn)矩反饋值進行比較，計算出從點的速度給定值，再通過PROFIBUS-DP通訊將從點速度給定值傳送到各從點變頻器，以加大或減小從點電機的轉(zhuǎn)差率，從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)矩，使形成負荷分配的主點和從點轉(zhuǎn)矩相同，達到負荷分配的目的，此設計方法控制精度高，工作可靠。負荷分配控制原理如圖6所示。

圖6負荷分配原理圖

3.4　ACS880變頻器參數(shù)設置說明

　　各傳動點的ACS880變頻器參數(shù)設置基本一致,主要實現(xiàn)速度控制或轉(zhuǎn)矩限幅控制,通過Profibus進行通訊,達到精確控制電機的目的。以驅(qū)網(wǎng)輥為例,變頻器的參數(shù)設置如下圖7所示。

圖7.參數(shù)設置

4.結(jié)語

本文對前言提出的三個問題，設計方案采用PROFIBUS-DP通訊方式，運用ABB 變頻器家族的最新產(chǎn)品ACS880 變頻器控制電機，此系統(tǒng)的通訊速率速度快，運行穩(wěn)定性強，大大提高了傳動控制的自動化程度；科學合理的速度鏈設計和負荷分配設計方案，使系統(tǒng)在運行中速度穩(wěn)定性高、負載分配合理、很大程度上減小斷紙次數(shù)。此控制方案完全符合現(xiàn)代造紙自動化的生產(chǎn)要求，在生產(chǎn)中運行良好，值得推廣。

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?5.參考文獻

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[3] 王紅艷,吳彥銳,陳景文.造紙機速度鏈的設計與工作原理[J]. 黑龍江造紙,2007