造紙傳動系統電氣自動化及變頻調速控制應用研究

黃開森

（聯盛漿紙（漳州）有限公司維修部，福建 漳州 363000）

該系統研究的是全方位多學科及信息技術的相互融合，主要包括工藝特性、軟硬件技術設計、理論技術、自動化及通信技術等領域。通過對傳動系統的深入研究和應用，是實現造紙傳動自動化及行業發展的必然趨勢，也是未來的重要發展方向。

1 造紙設備與傳動技術要求

1.1 工藝設備簡單介紹

造紙設備主要包括原料準備、制漿、造紙、直到制成卷筒或平張成品，以及加工紙和紙板的機械等。其中造紙機紙漿形成紙幅的分部聯動全套設備，包括流漿箱、網部、壓榨部、烘干部、施膠機、壓光機、卷取部和傳動設備等主機以及汽、水、真空、潤滑、熱回收等輔助系統。其中形成濕紙幅的網部是造紙機的核心，所以造紙機按網部的結構又可分為長網機、夾網機、圓網機、疊網機和帶有飾面輥等形式結構。

1.2 自動化控制對傳動系統的要求及應用

基本要求為以下幾點：（1）工作速度調節范圍要求較寬且均勻，可適應不同紙種、定量的生產需要，調節范圍在i=1:10。（2）具備一定的穩態和動態響應精度，其精度分別為±0.01%～0.02%，0.05%～0.1%。（3）爬行速度：為便于清洗檢查網毯、以及檢查各部設備運行情況，各分部應具備15～30m/min分可調的爬行速度。（4）各傳動點間速比可調、穩定。為了紙機能夠生產出良好的紙幅和提高紙機穩定生產效率，紙機各傳動點的速度必須是可調、穩定，各分部傳動點的調速范圍為±8%～10%。

2 變頻調速控制系統優異性及控制方式

變頻調速技術在工業生產中越來越受到重視，其在機械傳動系統中的應用已經成為現代工業生產的一個重要環節。相比傳統的電阻調速、直流調速和電壓調速，變頻調速采用V/F、矢量控制(VC)、直接轉矩控制(DTC)等方式，具備有高穩態精度和動態響應。

2.1 變頻調速具有的特點

（1）效率高、平滑性好，啟動電流小，低速時靜關率高，對電網和系統無沖擊，節能效果突出。（2）調速范圍較寬，精度高，可實現軟啟動及快速制動。（3）能夠擴大容量，實現高轉速和高電壓運行。（4）體積小及結構簡單、維修方便和慣量小且耐用。（5）恒轉矩調速時低段速電機的過負荷能力低。

2.2 變頻系統的控制方式

紙機變頻傳動系統是一種轉速、負載要求基本恒定的控制系統，從特性上其可分為三種基本控制方式：轉矩、張力、速度，并要求調速穩定和動態響應時間短，其主要控制方式如下：（1）轉矩控制是指同一張網子的傳動點間、上下壓榨輥間及多電機傳動組間的負荷分配控制。①負荷平衡控制的本質：在傳動系統中，2臺或者2臺以上電機，同時帶動同一個負載，使得2臺（或者多臺）電機出力相同，即電機的輸出轉矩相同，最后驅動負載穩定運行的控制方法。②控制原理是利用兩輥閉合信號的切入，在從動點的給定速度通道上疊加2%左右的調節量，引用主傳動轉矩輸出作為從傳動轉矩限幅控制；如果兩輥分離則切除從動點的轉矩控制，變成閉環速度控制。③負荷平衡的機械耦合形式：剛性連接（提升機、直連），齒輪嚙合（回轉機構、減速機），柔性連接（皮帶機、網子拖動）。（2）張力分為直接和間接張力2種控制方式，主要通過調整分部速度來調節紙幅的張力大小，根據工藝現場需求在施膠和壓光前安裝張力檢測傳感器，PLC根據張力的檢測實際值做PID控制，其輸出作為其后傳動電機的微調速度值，從而確保紙頁的張力穩定性。（3）速度控制是利用編碼器信號反饋進行速度閉環控制，分為兩種形式：①主速度控制是用來調節整機速度，比如，網部的驅網輥常用此方式控制；②速差控制，比如，烘缸組間，是在速度給定通道上增加一個速差給定值，通常在操作面板上進行人工操作調節。

3 漿紙變頻傳動應用案例分析

3.1 工藝簡介

造紙漿紙的苛化及水泥廠都有石灰回轉窯，回轉窯中鋪耐火磚，回轉窯在不斷地旋轉，石灰石在窯爐中進行加熱處理，控制回轉窯旋轉的電機一般為2臺；若是采用一套S120控制2臺電機，該方案的主從控制比較容易實現；考慮性價比本案采用2臺G130變頻器控制2臺回轉窯電機，通過齒輪實現剛性連接，電機之間作主從控制。

3.2 項目配置

回轉窯2臺電機配置：690V,400kW,993rpm；不帶編碼器；2臺G130變頻器分別控制兩臺電機，變頻器為690V450KW；2臺變頻器之間通過CBE20，采用SINAMIC LINK進行通訊；s7-400/DCS通過Profibus進行控制。

3.2.1 驅動組態

（1）配置master、slave變頻器正常組態，并對電機進行靜態與動態識別，注意在調試過程中必須將聯軸器脫開，確認電機的轉向正確。

（2）SINAMICS LINK配置。

①SINAMICS Link的基本規則。利用安裝CBE20控制板，sinamics Link 可實現多個（CU320-2 DP控制單元）間的直接數據交換，并可實現以下幾種應用：一是物料線的驅動連接負荷分配；二是多個傳動裝置設定值的層疊；三是整流單元間的主/從控制功能；四是多個驅動裝置的轉矩分配。

sinamics S120及DC-master的連接以及數據的接收和發送。

慣用的節點包含帶有CU連接的驅動對象(DO)和控制單元，sinamics link的報文為16個固定的過程數據空間(pzd)，每個pzd的字節長度為一個，沒有需要的部分就填零表示。

圖1

每個節點發送一組16個pzd的報文，可接收或發送單字/雙字，一個驅動單元在每個連接的其他DO處,最多只可接收16個pzd，雙字須為2個連續的pzds。當使用sinamics link通訊 時，傳送時間可為3.0ms（一個周期最大0.5ms，總線周期2.0ms）。

②拓撲的結構。1)連續性編號，期間不允許有間隔。2)將不相同的節點編號錄入參數P8836[0...63] 中。3)配置通訊時，特殊節點的站名稱及IP地址，經過分配的編號節點被自動設置同時不可被修改。（169.254.123.001～169.254.123.064、SINAMICSxLINKx001～SINAMICSxLINKx064)。d連接CBE20時他的端口使用要求，按照n節點的Port2(P2)一直與n+1節點的Port1(P1)相連接。e同步主的通訊節點鏈接編號自動被分配為1。

③調試及配置過程。當調試測試時，控制單元需要進行以下設置：1)將參數設置成P8835=3(sinamics Link)；2)利用參數P8836，將節點分配的編號(第一單元分配編號為1)，節點編號是0則表示sinamics Link 被關閉；3)最后來執行掉電后的再上電。

數據發送過程：1)對每一個驅動對象，在參數P8871中，參數分配發送到其節點的槽中，對于雙字的(如Pzd 2+3)被分配到連續兩個傳送槽，如P8871[2] =3，P8871[1] =2。2)對每個驅動對象，在參數P2051[x] 中傳送的數據(Pzds)被指定，送傳雙字的要在P2061[x] 中指定。

接收數據過程如下：1)控制字是數據接收的第一個字，他的Bit 10要為1，如果不是則設置P2037=2不激活Bit 10的評價。2)相關Pzd節點地址被讀取他定義在參數P8872[0…15] 當中(0表示不讀取)。3)在參數R2050[X] 和R2060[X] 中表示數據接收被存貯值。d從報文發送中讀取哪個Pzd數據并被存貯在其自已的服務槽中，用參數P8870[0…15] 來定義，R2060用于雙字Pzd或R2050用于Pzd(0表示無選擇的Pzd)。

讀取兩個Pzd針對于雙字,如果讀1個32Bit的設定值，那么位于節點5的Pzd 2+3要設置以下參數P8872[2] =5、P8870[2] =3、P8872[1] =5、P8870[1] =2。sinamics Link連接的激活，要對所有的節點進行掉電，之后再進行上電，如果不執行掉電再上電，則2061[X] 和P2051[X] 的分配及參數讀取，參數2060[X] 和R2050[X] 的鏈接會被改變分配。

3.2.2 本案實際配置，主站速度模式，從站力矩模式

A.SINAMICS LINK配置

主站配置：P8835=3（SINAMICS LINK），P8836=1（主站賬號）

P8839.0=2；通訊板，P8839.1=1控制單元通訊口。

P8872.0=2；P8872.1=2接收數據站點。

P8871.0=1；P8871.1=2接收數據順序號。

P2050.0=r898；控制字狀態，P2050.1=r79轉矩設定值。

從站配置：P8835=3（SINAMICS LINK），P8836=2（從站賬號）

P8839.0=2；通訊板，P8839.1=1 控制單元通訊口

P8872.0=1；P8872.1=1 接收數據站點

P8871.0=1；P8871.1=2 接收數據順序號

P2050.0=r899 狀態字，P2050.1=r80 轉矩實際值

B.DCS中Profibus控制設置

主站配置：P0840=8890.0 IF2通訊口，P1070=8850.1 IF2通訊口

P8851.0=2089 ，P8851.1=r63.1，P8851.2=r68.1

P8851.3=r80.1，P8851.4=r82.1，P8851.5=r2131

從站配置：P0840=2090.0 （SINAMICS LINK）

P1503=2050.1 （轉矩設定值），P8851.0=2089

P8851.1=r63.1，P8851.2=r68.1，P8851.3=r80.1

P8851.4=r82.1，P8851.5=r2131

P8812.0=0關閉等時同步模式

項目測試：運行變頻器對速度、電流進行trace，變頻器運行平穩；主從方式還可以通過TM31進行數據傳輸，也可以完成相應的功能；主站CU P2051.0=vector.r899，從站vector.p0840=CU 2090.2，從站P2144=1；不檢測堵轉。

本案采用西門子G130系列變頻傳動，通過S7-400系列PLC控制下，變頻器驅動回轉窯電機，旋轉后通過減速機減速，經齒輪實現了剛性連接帶動負載傳動點，以Win CC監控操作軟件為平臺，建立了具有比較完善的自控功能，并對系統的可操作性進行了優化分析。

4 結語

本文結合傳動控制案例，重點闡述了變頻傳動控制方式及自動化系統軟件設置要求，通過系統設計優化可以很好地對傳動點進行主從控制、負荷分配，同時可以對線速度以及負載電流、電壓等進行有效的監控與控制，這對提高傳動的自動化程度、操作的靈活性以及提高生產穩定性具有非常重要的作用。