紙機主傳動系統構成及變頻器選擇

徐　愷

中國成達工程有限公司　成都　610041

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紙機主傳動系統構成及變頻器選擇

徐愷*

中國成達工程有限公司成都610041

電氣傳動系統在化工、造紙、鋼鐵、煤電等工程中普遍使用，傳動系統控制構成及其變頻器的選擇對于判別或設計傳動系統起關鍵作用。本文以某造紙項目的傳動系統為例進行闡述，希望對涉及到傳動系統的化工、造紙、煤電等項目能起到一定參考借鑒作用。

主傳動系統變頻器選擇三級控制重載應用直接轉矩控制

在化工、熱電站、鋼鐵、造紙等項目中，均有傳動系統的使用，本文以某造紙項目采用的傳動系統為例，介紹主傳動系統的構成和變頻器的選擇。

該項目應用ABB變頻器和西門子PLC所組成的控制網絡，通過ABB和西門子的相關軟件來完成紙機電氣控制傳動系統。

整個傳動系統的核心部件為變頻器,而對于紙機主傳動系統,變頻器的選擇不同于一般變頻器,必須考慮4個因素： 控制方式(應為矢量或直接轉矩控制)、 荷載能力(應為重載應用)、 變頻器頻率分辨率、當地的安裝運行和自然環境。

其電氣主傳動控制系統是基于S7-300型PLC控制的變頻調速控制系統，用于紙機的控制。主傳動系統構成見圖1。

圖1　主傳動系統構成

該紙機共20個傳動點，分別由20臺交流變頻電機單獨拖動，每臺交流電動機由主傳動系統的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，對驅網、真空壓榨等分別進行負荷分配控制。

1　紙機電氣主傳動控制系統的構成

1.1系統主要硬件構成

傳動系統主控單元采用S7-300型PLC控制整個系統。

變頻器選用ABB的ACS800系列高性能變頻器,采用DTC(直接轉矩控制)控制技術，內置直流電抗器，最大起動轉矩可達200%的電機額定轉矩；其動態轉速誤差,閉環時為0.05%，靜態精度為0.01%。

整流單元采用一臺ABB全橋可控整流單元供電，連續工作時。可以承受150%最大直流母線電流60s；200%最大母線電流10s。

上位機系統即工程師站, 具備操作員站和工程師站的所有功能。

變頻器,現場操作臺和PLC之間采用PROFIBUS-DP總線進行數據傳輸,PLC與上位機通訊方式為以太網，系統采用多傳控制方式。

1.2系統的軟件構成

主程序的流程見圖2。

主控制程序采用模塊化結構設計，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。

上位機系統監控軟件采用SIMATIC_WinCC。PLC編程軟件采用西門子的PLCSTEP7編程軟件，觸摸屏組態軟件為ProTool.CS組態軟件。變頻器編程及參數監控軟件采用ABB公司的ABB-Driver，可以方便地通過RS485與變頻器進行通信并對此進行實時監控。傳動控制軟件為基于STEP7和ABB-Driver開發的一組針對本項目具體控制的軟件。

圖2　主程序的流程

1.3紙機主傳動控制體系構成方式

紙機主傳動系統采用三級控制：采用上位計算機作為管理單元(第三級控制)、SIMATICS7-300系列控制器為控制中心(第二級控制)、ABBACS800系列工程變頻器作為調速單元(第一級控制)、SIMATICTP170(觸摸屏)作為操作單元。三級的構成和功能如下：

第一級：采用ABB公司多電機驅動系統，由進線柜、整流柜、制動柜、逆變柜構成。控制任務為速度閉環控制、轉矩控制、電流控制、啟動環節、工藝調節控制、電機溫度監視等。

第二級：由PLC控制中心和觸摸屏現場操作臺構成。控制任務為通訊控制、速度同步控制、啟動/停止控制、爬行/運行控制、微升、微降控制、單動、聯動、正動控制、反點控制、力矩分配控制、張力控制及與OP的接口控制、潤滑系統連鎖控制、輔機連鎖控制等。

第三級：上位機系統，即工程師站，具備操作員站和工程師站的所有功能，由四個軟件模塊組成：設備管理模塊、工藝管理模塊、質量管理模塊和產量統計模塊。主要任務為集中監視整個系統的運行情況。

第二級控制和紙機功能設定最為密切,主要功能：

(1)速度總給定：以網部作為該紙機的第一個傳動點，其速度給定作為整個紙機的總給定，其它傳動點的速度都隨著該傳動點的速度改變而改變，并以此為基礎根據紙機的工藝流程建立速度鏈。

(2)起停控制：控制各個傳動點的開停車，只對自己分部、傳動組進行獨立控制，不影響其它傳動點。當按停止按鈕時，設備可按自由停車，也可按給定的下降曲線停車。

(3)爬行/運行控制：當設備檢修、拉紙之前的烘缸預熱、網部壓榨部設備沖洗時，系統要求低速運轉，當一切均正常后才轉到高速運行。設置開關到爬行位置時，紙機就按爬行速度運轉，一般為20～30m/s的速度；當拉紙時，切換到運行位置，紙機按給定的運行速度運轉。

(4)速差調整控制：根據工藝流程要求，各個分部之間需要保持一定的速差，并且生產不同紙種時速差也有所不同，微升、微降就是用于對各個分部的速度進行微調速差來滿足生產工藝的要求。

(5)點動(正向點動和反向點動)：用于方便設備檢修、清理斷紙、套毛布或套引紙繩等情況下，都需要設備轉動一個角度。按下點動按鈕時，設備按點動速度運行，放開點動按鈕時，設備停止運行，正常啟動狀態下禁止使用。

(6)緊急停車：主要用于處理突發事件而要求的全線停車。按下該按鈕時，先通過通訊封鎖逆變器輸出,再制動使紙機全線停車且傳動系統的總電源被切除，以保護設備和人身安全。

(7)力矩控制(負荷分配)：在紙機的網部、壓榨部等處通常是一主多輔的傳動組，即一臺設備的負荷由多臺電機共同承擔，在傳動組間，既要保證各個傳動的速度穩定，還得保證各個傳動分擔的負荷要均勻。一般設立一個主傳動，用它來控制速度，其余傳動點作為輔助傳動，對其進行負荷控制，各傳動之間按照一定的比例分擔負荷。

(8)點張/松弛：在紙機的某些開放引紙段，由于前后之間的距離較大，在引紙時可能紙掉得比較長，通過點張功能來解決這個問題。

(9)張力控制：在紙機的某些分部，既要保證紙張有一定的張力，又不能斷紙；在本系統中對施膠機、壓光、卷紙機進行了張力控制。將張力信號接入PLC，從而實現張力閉環控制。

(10)輔機連鎖控制：在紙機的網部、壓榨部、烘干部等處，具有各種輔機控制，不同的輔機要求有不同的運行條件。為保證輔機與紙機的連鎖運行，通常在主機傳動部分擴展PLC接口模塊，實現相互的連鎖。

2　變頻器選擇因素

2.1控制方式

對于紙機,調速精度,動態控制,對電機低速控制要求比一般設備上電機的調速要求高得多。紙機上采用最多的是矢量控制方式和直接轉矩控制(DTC)方式的變頻器,后者的控制精度及整體性能優于前者。

2.2荷載能力

紙機屬于恒功率負載,在低速時屬于恒轉矩負載, 低速時的輸出轉矩要足夠大，并且要有足夠的過載能力。一般而言造紙工藝要求為重載應用選型。變頻器負載還取決于造紙機械廠的設計余量。如果余量較大，選輕載、重載應用型逆變器或變頻器都可以；如果余量較小，就必須采用重載應用選型。

2.3變頻器頻率分辨率

變頻器頻率分辨率包含頻率給定分辨率和頻率控制分辨率。

(1)頻率給定分辨率指變頻器的給定通道對輸入信號的分辨率，一般指模擬輸入通道AD的位數。通常紙機對傳動調速的控制精度要求為0.1%。

(2)頻率控制分辨率指變頻器的輸出最小分辨率，即每次調速頻率的最小變化。現在變頻器的最小分辨率一般為0.01Hz。

2.4對環境的適應

除了上述因素外,還必須考慮環境對變頻器的影響。

(1)變頻器的容量及參數要考慮海拔、溫度等因素造成的降容。

(2) 變頻器的防護結構要與其安裝環境相適應，要考慮環境溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素。防護結構主要有開放型、封閉型、密封型、密閉型。

(3)選擇變頻器時需要考察其電路板是否考慮過防潮措施避免停機后機內結露。

3　變頻器的外部配置注意事項

(1) 紙機主傳動電機一般不采用普通電機匹配變頻器的方式,普通電機在頻率變化的情況下處于非額定運行狀態,當頻率下降到30Hz以下時，溫升會顯著升高,設備容易過熱。

(2)選擇合適的外部熔斷器避免因內部短路對整流器件的損壞。

(3)連接變頻器的電纜應根據變頻器的功率選擇導線截面合適的三芯或四芯屏蔽動力電纜。從變頻器到電機之間的動力電纜一定要選用屏蔽結構的電纜，且要盡可能短。當電纜長度超過變頻器所允許的輸出電纜長度時，要配置輸出電抗器。

(4)根據變頻器安裝場所的其它設備對電網品質的要求，若變頻器工作時已影響到這些設備的正常運行，應在變頻器輸入側裝交流電抗器；當變頻器用500V以上電壓驅動電機時，需在輸出側配置du/dt濾波器，以抑制逆變輸出電壓尖峰和電壓的變化。

(5)傳動系統變頻器緊急停車不宜采用直接跳開關切斷電源的方式,宜通過PLC經過控制總線封鎖變頻器,制動停車,再切斷電源。

4　結　語

傳動系統和變頻器的選擇牽涉的內容非常廣泛,本文難一一描述。只是對紙機項目中具體主傳動系統構成和變頻器選擇進行介紹，希望對相關項目和人員提供一定的參考。

2016-05-30)

*徐愷：高級工程師。1996年畢業于華中科技大學電力系統及其自動化專業。從事電氣設計工作。

聯系電話：(028)65531780，E-mail：xukai@chengda.com。