西門子PLC與ABB變頻器在造紙機上的應用

王廣智

（撫順礦業集團有限責任公司望花琥珀工貿分公司，遼寧 撫順 113000）

引言

目前造紙機正朝著智能化、信息化的方向發展，通過對造紙機的自動化控制，能夠顯著提升其生產質量和效率[1-2]。在造紙機的自動化控制系統中，需要使用各類控制器和變頻器，這些關鍵和核心的元件對于整個自動化控制系統的性能有著決定性的影響[3-4]。由西門子公司研制的PLC控制器和ABB公司生產的變頻器，以其顯著地優勢在各行各業得到了廣泛應用，其中包括造紙行業[5-6]。以下主要對西門子PLC和ABB變頻器在造紙機中的應用情況進行詳細介紹。

1 造紙機自動控制系統的基本要求

造紙工藝屬于非常復雜的工程，中間涉及到很多工藝過程，且考慮到不同工藝過程之間的連續性，要求不同工藝速度之間必須要保持匹配。生產過程中如果不同工藝步驟之間的運行速度不匹配必然會影響最終的生產質量，嚴重時導致生產過程無法繼續。對于某造紙車間而言，要求傳動速度保持匹配的部分主要有網部、壓榨部、烘缸、施膠、壓光、卷取等分部。為了實現不同分部的速度鏈控制，必須建立對應的自動控制系統。

2 造紙機自動控制系統設計方案及工作原理

2.1 自動控制系統設計方案

自動控制系統的整體結構比較簡單，但功能明了、層次明晰，見圖1。圖中PG表示編碼器，作用是對電機運行過程中的電流值和輸出轉速進行實時檢測，并將檢測結果傳輸到控制器中。控制器對不同分部中電機的電流和轉速等參數進行分析處理，基于分析結果下達控制指令，將指令傳輸到變頻器中，再由變頻器傳輸到控制器中。變頻器根據控制指令調整輸出電源的頻率大小，進而實現電機速度的調整與控制。另外，各類傳感器檢測獲得的信號，可以通過上位機PC顯示器進行實時顯示，以便工作人員能夠實時觀察整個造紙機的運行狀態。系統中使用的是西門子公司研制生產的OP277操作屏。該屏幕不僅可以顯示造紙機的運行狀態，也可以直接在該屏幕上人為輸入各種控制指令，實現人工控制的效果。

圖1 造紙機自動控制系統方案示意圖

2.2 各分部電機速度控制原理

系統中采用的是“速度鏈”的控制思想，其基本工作思路如下：按照整個造紙工藝流程，控制器根據實際生產需要，首先利用變頻器對第1臺電機的速度進行控制，且第1臺電機的輸出轉速及其運行電流值會返回到控制器中；控制器基于第1臺電機的轉速和電流值，利用變頻器對第2臺電機進行控制，其將第2臺電機的輸出轉速及其運行電流返回到控制器中；依次類推，直到完成整個造紙機各分部電機速度的控制，實現電機速度之間的相互匹配，見下頁圖2。

圖2 造紙機自動控制系統基本原理圖

3 西門子PLC與ABB變頻器的結構與工作原理

3.1 西門子PLC控制器

對于整個造紙機自動控制系統而言，控制器是其中最為關鍵的部分，相當于控制系統的“大腦”，因此其運行性能的好壞對整個控制系統的運行性能有直接影響。控制系統中選用的是西門子公司研制生產的S7-400型PLC控制器，該型號控制器在工業領域有非常廣泛的應用，已經得到了市場的廣泛認可。西門子PLC控制器由多個部分構成，主要包括CPU模塊（416-2DP）、電源模塊，網絡通信模塊、數據輸入模塊、數據輸出模塊等，見圖3。PLC控制器需要接受各類傳感器的數據輸入并進行分析處理，然后對不同分部的變頻器進行控制。PLC控制器與變頻器之間基于PROFIBUS-DP通訊總線實現數據信息的交換。

圖3 西門子S7-400型PLC控制器現場圖片

3.2 ABB變頻器

在工業傳動領域ABB變頻器以其顯著的優勢得到了非常廣泛的應用，且應用效果較好。基于此，造紙機控制系統中選用ABB變頻器，具體型號為ACS800。供電網絡中變頻器的使用會導致網絡中產生諧波信號，從而影響其他用電設施的正常運行。而ACS800型變頻器中配置有電磁兼容裝置以及諧波抑制器，可以對諧波信號進行高效抑制，降低其對周圍用電裝置造成的不良影響，見圖4。

圖4 ABB ACS800型變頻器現場圖片

ABBACS800型變頻器采用的是DTC直接轉矩控制方式對電機轉速進行控制，控制的最基本原理就是通過改變電機輸入電源的頻率大小，進而實現電機轉速的調整。造紙機在實際運行過程中，各分部的傳動速度必須保持匹配。然而在實踐過程中，各分部的運行速度容易受到外部環境造成的影響，使電機的實際輸出轉速發生波動，這就要求變頻器具有很好的抗干擾能力以及快速反應能力，以實現電機轉速的精確控制。ACS800型變頻器對電機速度調整的精度非常高，已有的實踐經驗表明，在閉環控制模式下速度控制精度可以達到0.1%，即便是在開環控制模式下控制精度同樣可以達到0.3%。

4 PLC控制器與ABB變頻器在造紙機上的應用效果

1）提升了造紙車間的智能化水平。基于先進的PLC控制器和變頻器建立的造紙機自動控制系統，能夠對造紙機不同分部的速度進行高效控制，確保不同分部之間速度的相互匹配。整個過程可以實現自動化控制，正常情況下無需人為進行干預，顯著提升了造紙車間的智能化水平，提升了工廠在激烈市場競爭中的競爭力。

2）降低了設備運行的維護保養成本。由于造紙機各環節全部實現了自動化控制，且控制精度非常高。有效規避了人為操作時可能存在的誤差甚至失誤，對設備造成的損壞。目前，整個設備運行非常穩定，降低了造紙車間在造紙機中投入的維護保養成本，為企業創造了良好的經濟效益。

3）提升了造紙車間的生產質量和效率。自動控制系統中采用了速度鏈的控制模式，有效提升了控制的效率和精度。確保了造紙機不同分部之間運行速度的匹配，為造紙車間生產質量和效率的提升奠定了堅實的基礎。

5 PLC控制器與ABB變頻器運行時需要重點注意的問題

1）變頻器諧波信號問題。變頻器雖然可以對電機速度進行有效控制，但其工作原理決定了運行過程中容易產生諧波信號問題，會對供電網絡中其他設備的運行造成不良影響。因此，在使用過程中務必通過脈沖整流的手段對變頻器的諧波信號問題進行抑制。通過有源前端整流的方法也可取得比較好的效果。

2）西門子S7-400型PLC控制器和ABBACS800型變頻器，兩者之間通過PROFIBUS-DP通訊總線實現數據信息的交換。這種通訊方式雖然能夠大大簡化網絡結構，但缺陷在于沒有冗余功能，這會在一定程度上降低通信網絡的運行可靠性。如果通信網絡中某個節點出現故障問題，會導致整個通信網絡無法正常運行。基于此，對于通信總線，一方面要強化其連接的牢靠性，另一方面在運行過程中也要加強觀察，以便及早發現問題并解決問題。

5 結語

隨著社會的發展和科學技術水平的不斷提升，造紙機的智能化和信息化是未來發展的必然方向。在自動化控制系統中控制器和變頻器是非常關鍵和重要的元器件，西門子PLC控制器和ABB變頻器的應用，顯著提升了造紙機的智能化水平，降低了設備運行過程中的故障率，為造紙車間節省了維護保養成本，整個造紙車間的生產質量和效率有了顯著提升。綜上，西門子PLC控制器和ABB變頻器在造紙機中的實踐應用取得了很好的效果。