馬文明

(西京學院,陜西西安,710123)

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基于PROFIBUS的紙機變頻傳動系統(tǒng)的設計及應用

馬文明

(西京學院,陜西西安,710123)

針對紙機變頻傳動控制存在的問題,設計了以PROFIBUS現(xiàn)場總線為通信方式、PLC為總控制器、操作屏為人機界面、ACS800變頻器為傳動單元的紙機變頻傳動控制系統(tǒng)。對系統(tǒng)中的PROFIBUS硬件組態(tài)方法、速度鏈設計、負荷分配等進行了詳細說明,在實際應用中取得了良好的效果。

PROFIBUS；紙機傳動；負荷分配

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紙機變頻傳動存在的問題主要有3個方面：①紙機在生產過程中某些傳動點負載不穩(wěn)且震蕩,速度呈波浪式波動,容易斷紙；②沒有將網部真空度參數、干燥部蒸汽壓力參數、液壓站壓力參數、毛毯跑偏、斷紙信號等影響生產運行的因素設計到紙機變頻傳動系統(tǒng)中；③某些紙機傳動系統(tǒng)還采用模擬量輸出信號進行速度給定,信號干擾較大,不能達到精確控制的目的[1]。對于以上存在的問題,本文設計了基于PROFIBUS通信的紙機傳動控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中對上述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)應用于廣東潮州某造紙廠紙機傳動系統(tǒng)和江西吉安某造紙廠紙機傳動系統(tǒng)。文章對該系統(tǒng)的設計及應用情況進行了介紹。

1　PROFIBUS簡介

PROFIBUS是西門子公司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據傳輸,也可用于大范圍的復雜通信場合,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3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)包括數據的可靠性以及傳輸協(xié)議和報文處理[1]。

PROFIBUS-DP經過優(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據傳送,中央控制器通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設備(如I/O、驅動器、閥門等)進行通信,多數數據交換是周期性的,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字或模擬信號線,用于分布式控制系統(tǒng)的高速數據傳輸[1-2]。

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)以廣東潮州某紙廠項目為例,按照客戶設計方案及工藝設計要求,紙機幅寬4400 mm,設計車速500 m/min。紙機傳動點設計個數為18組,系統(tǒng)總體設計容量1800 kW。傳動點名稱及電機容量如表1所示。

表1　傳動點名稱及電機容量

根據客戶要求及控制方案的綜合對比,采用CPU315-2PN/DP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ACS800變頻器作為各傳動單元,變頻器的通信模塊選用RPBA網絡適配器?？偪刂破髋c各傳動單元之間采用PROFIBUS-DP進行通信,上位機、人機界面與PLC之間采用工業(yè)以太網進行通信。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)進行軟件通信組態(tài)設計和系統(tǒng)程序設計。紙機變頻傳動系統(tǒng)總體設計如圖1所示。

圖1　紙機變頻傳動系統(tǒng)總體設計圖

2.2可編程控制器的硬件接線

為了提高造紙生產線的自動化程度,對影響造紙生產線的安全參數、質量參數等進行監(jiān)控和在線修改,增加紙機聯(lián)鎖控制,因此本系統(tǒng)可編程控制器擴展模塊數字輸入32點、數字輸出32點。硬件接線設計數字量輸入如圖2所示。數字量輸出接線如圖3所示。

2.3ACS800變頻器硬件接線

根據紙機傳動控制系統(tǒng)設計方案,18組傳動點變頻器接線大致相同,如圖4所示。

ACS800變頻器的硬件接線包括電機線、電機風機線、測速編碼器、變頻器的急?？刂贫俗印ROFIBUS通信等接線。ACS800變頻器的主電源輸入來自變頻傳動系統(tǒng)DSU整流柜,本系統(tǒng)使用DSU整流柜供電可避免觸發(fā)脈沖給周圍電氣設備帶來的諧波干擾,使設備正常工作。

3　變頻傳動控制系統(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、上位機和PLC之間采用EtherNet/IP進行通信；各傳動單元和PLC之間采用PROFIBUS-DP進行通信。下面重點介紹PROFIBUS-DP通信硬件組態(tài),使用SIMATIC編程軟件進行組態(tài)設計。軟件組態(tài)設計分為3個步驟。

第一步：打開SIMATIC Manager軟件,新建工程項目,新建成功后在項目里添加SIMATIC 300站點,站點里將出現(xiàn)“硬件”選項。點擊“硬件”,HW Config窗口將打開,根據系統(tǒng)硬件設計方案對PLC進行組態(tài)并建立PROFIBUS-DP主站系統(tǒng)。選擇CPU插槽的MPI/DP接口,右鍵選擇“對象屬性”打開對話框,設置接口類型為PROFIBUS,在屬性對話框里選擇站點地址為3,傳輸率為187.5 kb/s,選擇好后進行確定。 建立后的效果如圖5所示。

第二步：在PROFIBUS-DP主站系統(tǒng)中添加18個傳動點,在添加之前必須保證RPBA通信模塊的GSD文件已經安裝,在右邊對話框選擇ABB Drives RPBA-01.PPO type4.進行添加,并右鍵選擇添加從點的屬性,設置從點的地址及傳輸率，如圖6所示。

第三步：重復第二步的做法,添加每一個傳動點,并進行屬性設置,確定好每個傳動點的地址,效果如圖7所示。

圖2　數字量輸入模塊接線圖

圖3　數字量輸出模塊接線圖

通過以上3個步驟,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)的建立。

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一定的比例,在車速調整過程中,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整并將速度給定信號傳送給下級傳動點,形成一個鏈式結構,稱為速度鏈。根據紙機傳動控制要求,傳動控制速度鏈精度應在0.01%～0.04%之間,這與紙幅的伸縮率有關[3]。本變頻傳動系統(tǒng)速度鏈結構設計采用二叉樹數據結構法,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信地址設置,并準確記錄地址號碼。本系統(tǒng)經過現(xiàn)場工藝情況分析,速度鏈設計如圖8所示。

圖8　紙機傳動控制系統(tǒng)速度鏈設計

圖4　ACS800硬件接線圖

此變頻傳動系統(tǒng)中驅網輥作為速度鏈中的主傳動點,驅網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,改變驅網輥的運行車速給定值,就調節(jié)了整個紙機車速。驅網輥的速度給定值傳送給它的兩個從點真空伏輥、導網輥和下一分部主點一壓下輥。從點真空伏輥和導網輥根據現(xiàn)場工藝情況,在人機界面通過速度微升微降K1、K2或修改傳動比b1、b2調節(jié),達到從點速度調節(jié)的目的。下一分部主點一壓下輥得到驅網輥的速度值,也通過人機界面進行速度微升微降K3或修改傳動比b3調節(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兩個從點一壓上輥、真空吸移輥和下一分部主點二壓下輥。一壓上輥和真空吸移輥通過人機界面速度微升微降K4、K5或修改傳動比b4、b5進行調節(jié),達到從點速度調節(jié)的目的。依此類推,實現(xiàn)整個速度鏈的速度給定和調節(jié),構成了速度鏈控制系統(tǒng)[3- 4]。速度鏈調節(jié)原理如圖9所示。

圖5　PROFIBUS-DP建立效果圖

圖6　PROFIBUS-DP從站設置圖

圖7　PROFIBUS-DP系統(tǒng)效果圖

圖9　速度鏈調節(jié)原理圖

圖10　負荷分配控制原理圖

3.3主從傳動點負荷分配設計

在紙機運行過程中,有幾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、真空吸移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,有可能電動機成為發(fā)電機的情況,影響正常抄紙,甚至有可能撕壞毛布或造成斷紙[4]。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網絡通信,交換數據。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)[4-5]。在負荷分配調節(jié)過程中不能影響本傳動組以外各分部的速度。本系統(tǒng)設計的負荷分配原理是將主點電機的實際轉矩反饋值通過PROFIBUS-DP通信方式傳送至PLC,可編程控制器將主點電機的轉矩反饋值乘以負荷工藝調準系數,經過計算得到的結果作為從點電機的正轉矩限幅給定值,并且從點電機在運行中的速度給定值要比主點電機的速度給定值略高,這樣造成從點電機將工作在正轉矩限幅狀態(tài),通過給定正轉矩限幅值可以達到主點電機和從點電機符合分配的效果,使主點和從點的轉矩達到負荷分配的工藝,此設計方法控制精度高,工作可靠,通過實踐證明是可行的。負荷分配控制原理如圖10所示。

3.4ACS800變頻器參數設置說明

各傳動點的ACS800變頻器參數設置基本一致,主要實現(xiàn)速度控制或轉矩限幅控制,通過PROFIBUS進行通信,達到精確控制電機的目的。以驅網輥為例,變頻器的參數設置如表2所示。

表2　變頻器的參數設置

4　結　語

本文針對紙機變頻傳動控制系統(tǒng)存在的3個問題,設計了基于PROFIBUS-DP通信方式的變頻傳動系統(tǒng),此系統(tǒng)的通信響應速度快,運行穩(wěn)定可靠；通過硬件設計和軟件編程實現(xiàn)了紙機聯(lián)鎖控制,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,使系統(tǒng)在運行中速度穩(wěn)定、負載分配合理、很大程度上減少斷紙現(xiàn)象。此控制系統(tǒng)符合現(xiàn)代造紙自動化的設計要求,在工廠實際運行中,客戶反映良好。經過客戶回訪調查，此控制系統(tǒng)運行良好、能耗低、故障率低。

[1]Meng Yan-jing. The Frequency Drive Principle and Design of Paper Machine[M]. Xi’an: Shaanxi People’s Publishing House, 2002.

孟彥京. 造紙機變頻傳動原理與設計[M]. 西安: 陜西人民出版社, 2002.

[2]Beijing ABB Electrical Drive System Co., Ltd. ABB ACS800 standard firmware control procedures manual (version B)[Z]. 2012

北京ABB電氣傳動系統(tǒng)有限公司. ABB ACS800標準控制程序固件手冊(版本B)[Z]. 2012

[3]WANG Hong-yan, WU Yan-yue, CHEN Jing-wen. Design and operation principle of the paper machine speed chain[J]. Heilongjiang Paper, 2007(1): 42.

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(1)： 42.

[4]WANG Su-e, HAO Peng-fei, MENG Yan-jing. Analysis and Design of Machine Transmission Load Distribution Control[J]. China Pulp & Paper, 2004, 23(8): 38.

王素娥, 郝鵬飛, 孟彥京. 紙機傳動系統(tǒng)負荷分配控制的分析與設計[J]. 中國造紙, 2004, 23(8): 38.

[5]MENG Yan-jing, ZHANG Yan. Application and Research ACS800 Multi-cylinder Machine in 2600/350 Load Distribution[J]. China Pulp & Paper, 2014, 33(2): 47.

(責任編輯：劉振華)

Design and Application of Variable Frequency Drive System of Paper Machine Based on PROFIBUS

MA Wen-ming

(XijingUniversity,Xi’an,ShaanxiProvince, 710123)

In order to smooth the problems of paper machine variable frequency drive, a variable frequency drive control system using PROFIBUS field bus as communication mode, PLC as controller, ACS800 converter as transmission unit was designed. PROFIBUS hardware configuration method, speed chain design, load distribution and so on was described in detail, and good results were obtained in practical application.

PROFIBUS； paper machine drive； load distribution

2015-12-21(修改稿)

西京學院院級科研基金，基金號：XJ150213。

基金項目：西京學院院級科研基金，基金號：XJ150213。

TP276

ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.07.012

收稿日期：2015-12-21(修改稿)