造纸机的变频调速控制方案及实施毕业设计.doc

造纸机的变频调速控制方案及实施毕业设计

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造纸 变频 调速 控制 方案 实施 毕业设计
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造纸机的变频调速控制方案及实施毕业设计,造纸,变频,调速,控制,方案,实施,毕业设计
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陕西科技大学毕业设计说明书XLV职业技术学院毕 业 论 文题目: 造纸机的变频调速控制方案及实施 学 生: 贾磊 学 号: 8080514128 院 (系): 职业技术学院 专 业:机械设计制造及其自动化指导教师: 李明辉 2012 年6月 7日陕西科技大学毕业设计说明书造纸机变频调速控制方案及实施硬件部分摘 要 纸机变频传动国外始于80年代中期,国内大约在90年代初期。造纸机是一种负荷基本恒定、转速恒定的稳速系统,其最大的特点是要求速度长期稳定,同时要求动态恢复时间尽可能短,因此,纸机传动系统要求的是高稳定性和快速动态响应。速度链负荷分配和张力控制是造纸机的三个典型设计问题 、。首先,确定控制系统的整体结构,掌握造纸工艺中纸机传动的工艺要求。掌握造纸机速度链设计方法,以及如何对造纸机进行张力控制和负荷分配。根据造纸工艺要求和电动机功率的计算方法选择合适的电动机、变频器和PLC。掌握变频器的工作原理并且对变频器参数进行设置。确定变频器与PLC连接及控制方案。关键词:造纸机,PLC,变频器,变频调速Paper machine Frequency Control and its implementationPart of the hardwareThe Speed-control Scheme and Operation by Frequency Variation of Paper MachineABSTRACT. The variable-frequency drive of paper machine began from the mid 80s at abroad, which from the early part of 90s at domestic. The paper machine is a kind of system that load Basic constant, speed constant, its biggest characteristics is to request speed long-term stabilize, while at the same time requires dynamic recovery time as short as possible, therefore, the paper machine drive system requirements are high stability and rapid dynamic response. The speed chain, load distribution and tension control is the papers three typical design problems.First of all, determine the overall structure of the control system. Grasp the process requirements of paper machine drive. Grasp the design method of the paper machine speed chain, and how the paper machine achieve tension control and load distribution. According the papermaking process requires and the calculation method of the motor power select the appropriate motor, Inverter and PLC. Master the working principle of inverter and set the parameters of inverter. Determine the frequency converter and PLC connectivity and control solutions.Key words: paper machine,PLC,inverters,frequency controlm摘要 ABSTRACT 1 绪论 11.1课题的目的、意义11.2国内外技术现状11.3造纸机的变频调速技术的发展前景11.4本次毕业设计的目的和任务12造纸机知识32.1本次设计造纸机原型32.2造纸工艺中纸机传动的工艺要求32.3本次设计造纸机各分部功率要求43速度链53.1速度链原理及设计要求53.2速度链的分类53.3速度链设计要求53.4模拟式速度链53.4.1模拟式速度链的原理63.4.2速度的调整63.4.3速差的实现63.5数字式速度链63.5.1电动电位器型的速度链63.5.2全数字速度链控制器类型的速度链6 3.6基于PLC、工业控制计算机通讯控制的速度链83.6.1速度链结构设计63.6.2算法设计64负荷分配54.1负荷分配问题的产生54.2负荷分配控制原理54.3负荷分配功能常用的几种方法54.3.1使用PLC通讯控制变频器64.3.2使用高性能变频器的转矩控制功能64.3.3利用各种系列变频器的特殊软件实现负荷分配控制64.3.4使用PLC扩展A/D模块实现负荷分配控制64.3.5通过转矩限幅间接实现负荷分配功能64.4负荷分配控制功能的要求54.5本次负荷分配设计55张力控制55.1纸幅张力检测原理55.1.1纸幅张力检测分析65.1.2张力传感器工作原理65.2直接张力控制的应用及实现55.3直接张力控制的软件设计56电动机及减速器56.1正确选择电动机容量的意义56.2电动机容量选择56.3本次设计电动机的选择56.4电动机功率计算56.5减速器的原理及类型56.6齿轮减速机56.7本次设计齿轮减速器选择57变频器57.1什么是变频器57.2变频器工作原理57.2.1概述67.2.2整流器67.2.3平波回路67.2.4逆变器67.3变频器的控制方式57.4造纸机对变频器的基本要求5 75纸机传动特性与变频器机械特性57.5.1频率分辨率对纸机传动性能的影响67.5.3变频器功能的基本要求7.5.2具有转差补偿变频器对系统稳态精度的影响67.6PLC通讯控制方式7.7ACS600系列变频器的参数及设置7.7.1起动数据67.7.2变频器控制参数67.7.3给定选择67.7.4加、减速时间67.7.5限幅参数6 7.7.6闭环控制参数68 PLC 58.1 PLC选型原则58.1.1输入输出(I/O)点数的估算68.1.2存储器容量的估算68.1.3控制功能的选择68.1.4机型的选择68.1针对本次设计的PLC选择58.2.1 I/O口估算68.2.2存储器容量的估算68.3 SIMATIC S7-300系列PLC系统基本构成58.3.1 SIMATIC S7-300的组成68.3.2 S7-300的扩展能力68.3.3本次设计的S7-300模块选择68.4 S7-300PLC网络配置58.4.1 MPI网络68.4.2 PROFIBUS DP 网络68.4.3本次设计的网络组成6致 谢 9参考文献 101 绪论1.1 课题的目的、意义变频调速技术在我国的许多行业中的应用日趋广泛,在造纸机上的应用更为突出。根据生产工艺要求,造纸机全线需要调速,用交流变频调速取代调压调速、滑差调速和直流调速已成为一种必然趋势。随着变频调速技术的发展,必将引起调速领域的大变革。在造纸工艺中,压辊的速度为生产线的速度。此速度的快慢直接影响造纸的产量,此速度需在0120m/min范围内调节。老的调节方式大部分是滑差调速,而采用滑差电机功率大,耗电量大。此外,造纸机各传动点的速度需要以一定比例同步改变,从第一个传动点开始,后一个传动点的速度跟随前道的速度变化。因此,若不采用一种有效的控制方式将无法使系统正常工作。针对系统以上特点,本文设计了造纸机变频拖动PLC控制系统,利用变频调速器实现造纸各个环节交流电动机的软启动和调速,利用PLC和D/A模块组成速度链实现造纸机多环节的随动和同步控制。从而在改善工艺控制质量的同时,节约了大量电能,降低了生产成本,提高了经济效益,也确保了生产线无需频繁保护动作的连续运动,减少了应重复引纸而造成的生产浪费。PLC作为工控机的一员,在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌控、体积小、价格便宜等特点。其应用已从开关量控制扩大到模拟量控制,广泛应用于航天、冶金、轻工、建材等行业。1.2 国内外技术现状中国造纸工业有效生产能力自1990年以来,特别是自1995年以来一直在持续增长。到2002年底为止,我国有4000多个造纸厂,其中规模以上的有2600多家。2002年的总产量达到了3780万吨。在今后的l2年中,还将会有近1000万吨的新增生产能力。届时,我国造纸工业的生产能力总和将会达到近5000万吨。据统计,自从2000年以来,全球生产的大型造纸机有1/2都安装在中国。交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电以及在国民经济领域的广泛适用性,而被公认为是一种最有前途的交流调速方式。它不但具有直流电机优良的调速性能,同时具有交流电机简单、可靠,因而逐渐被广泛应用。由此看来,造纸机分部传动机械的变频化已是大势所趋。1.3 造纸机的变频调速技术的发展前景造纸机的变频调速控制是造纸全集成自动化系统中的一个子系统,其稳速精度高,动态性能好,操作维护简单,只需编制程序就可实现纸机速度链,速度微调,负荷分配,张力控制等传动工艺功能,是当前造纸机普遍采用的一种传动控制方式。造纸机传动的变频改造有非常好的效果,如从工艺上改善纸品、增加产能、降低能耗、延长停机检修周期。随着中国造纸工业的快速发展,变频器也将在造纸工业中大显身手,但是我们必须注意到由于市场竞争的激烈而导致高中低端纸机的变频器正在日益分化中,如何抓住机遇,迎接挑战,将是国内变频器业者需要商讨和应对的问题。我们也同时注意到高档纸机的增加量将达到历史的最高峰,幅宽的增大和车速的快速提高都促使在新增的纸机装机中大量使用最新的高档矢量型或dtc控制型变频器,而目前国内相应的成熟变频器基本没有,所以大部分为进口品牌所拥有,国内品牌的份额不到5%。当然我们也注意到,由于中国日益成为世界工厂,由中国制造的变频器将逐渐走向已经有本地化机构的国际纸机机械厂家(如美卓纸业、voith纸业)的高档造纸机。1.4 本次毕业设计的目的和任务 通过毕业设计,我要熟练掌握造纸工段纸机传动的工艺流程,掌握变频器的工作原理及参数设置,了解电动机和减速机的功率计算与选型。能熟练对变频器进行选型并能够结合所学专业知识,应用可编程控制器(PLC)及操作面板(OP),对纸机传动进行控制。2 造纸机知识2.1 本次设计造纸机原型该纸机为1760/250m/min长网多缸文化纸机,生产4065gm 高级文化用纸,稳态精度0.01。原控制系统采用早期直流调速控制系统,由于元器件的老化和使用时间的增加,该机控制系统已无法满足正常生产的需要。该纸机由长网部、真空吸移+四辊二压区复合压榨部、干燥部、施胶部、压光部、卷取部组成。共16个传动点,总功率324kW。2.2 造纸工艺中纸机传动的工艺要求为了能生产出质量标准较高的产品,纸机对电气传动系统提出如下的要求:(a)纸机工作速度要有较大的调节范围,为了使造纸机具有较强的产品、原料适应性(如打浆度、浆料配比与种类、定量、纸种等),纸机传动可在较大的范围内均匀的调节速度,调节范围为1:8;(b)车速要有较高的稳定裕度,总车速提升下降要平稳。为了稳定纸页的定量和质量、减少纸幅断头,要求纸机稳速精度为0.050.01;(c)速差控制,速比可调、稳定。纸幅在网部和压榨部时,其纵向伸长横向收缩,而在烘干部时,两向都收缩,因此纸机各分部的线速度稍有差异,即速差。速差在一定范围内变化不引起纸页质量的突变。此时的速差对成纸来说,主要影响纸页的克重。误差应控制在0.1以内保持纸张不被拉断。纸机各分部的速比的最大波动值与浆料配比、定量、车速、生产工艺、纸页收缩率及分部之间的纸幅无承托引段的张力等因素有关。因此,造纸机各相邻分部间应有适当的速差来形成良好的纸页。纸机各分部的速度必须是可以调节的,为1015。利于工作时调整。为了生产较高质量的纸幅和减少断头率,还要保持各分部问速比的稳定。通常,把按正常生产运行条件下调整好的各分部车速对造纸机干段的卷纸机或烘干部的车速的比值百分率称为速比。表1 列出几种纸机各分部速比的数据.表中设烘干部的车速为100%,并且假设烘干部各组的车速相同(实际上后一组烘缸比前一组烘缸车速低千分之几)。从表2-1可知,纸机各分部的速比的最大波动值与生产的纸种有关。由于辊筒的实际直径有误差以及压榨辊和压光辊的磨损,各分部的调速范围可以采用8%10%;表2-1 造纸机各部分速比分 部 名 称纸机各分部速比(%)粘状浆制的纸(电容器纸等)书写纸和印刷纸伏辊89919495.5第一压榨94959697第二压榨979897.598第三压榨98.59998.599烘干部100100压光机100.05100.15100.05100.15卷纸机100.1100.3100.1100.3 (d)各分部点具有速度微升、微降功能,引纸操作时的紧纸、松纸功能。具有刚性联结或软联结的传动分部,如网部、压榨部、施胶部,能进行负荷动态调节。防止某点的速度发生变化而引起负荷在分部内动态转移,如不及时进行自动的调节(因为现在使用的变频器基本上都不具备长期四象限运行能力),有的传动点负载可能超过它自身的功率范围引起过流发生,有的传动点被拖动而引起过高的泵升电压,导致变频器过压而保护跳闸,甚至损坏变频器和损坏毛布。同时在这些分部中,应具有单动、联动功能,并可以同时起动、停止。必要的显示功能,如线速度、电流或转矩、运行信号、故障信号等;(e)爬行速度。为了检修和清洗聚酯网、压榨毛毯、干网以及各分部的运行工况,各分部应有1550mmin可调的爬行速度,但不宜在此速度下长时间运行;(f)纸机为恒转矩负载性质,要选择具有恒转矩控制性能的变频器,并具有较高的分辨率,良好的通讯能力,并采用PLC作为控制单元,实现对整个控制系统的可靠、协调的控制,以满足纸机控制系统正常工作的需要。2.3 本次设计造纸机各分部功率要求在本次设计中,给出了造纸机各分部所需的电机功率,表2-2为各传动点所需电机的功率要求。表2-2 造纸及各分部所需电机功率传动点电机功率(KW)备注伏辊22负荷分配驱网辊37吸移辊11负荷分配真空压辊22一压下辊18.5二压辊30三压辊30光压辊15一组缸18.5二组缸18.5三组缸18.5施胶上辊11负荷分配施胶下辊11四组缸22压光机30卷纸机11 3 速度链3.1 速度链原理及设计要求在纸机分布式传动中,由于各相邻传动点之间的速度应保持一定的比例,且在车速调整过程中,应满足只影响本级和本级以后的各传动点,而不影响前面各传动的速度,这样每传动点在前一级的基础上可以调整并把速度信号传送给下一级形成一个链式结构,即为速度链。如何实现速度链是纸机传动中的一个关键性问题,设计时应考虑以下几个方面的因素:(a)精度,速度链一定要满足纸机传动中的精度;(b)稳定性、速度链一定要稳定、可靠、才能保证系统正常运行;(c)操作方便、由于工厂中工人的文化程不一,因此一定要注意操作不能太复杂;(d)性价比,一定要在满足系统性能的基础上尽量降低成本。3.2 速度链的分类一般来说速度链可分为两类(a)摸拟式速度链这种速度链在分布式纸机直流传动中应用较多。其车速度调整均为模拟量。优点是:线路简单成本低。缺点是:操作不便,调整车速时节不易掌握调整量的大小;易干扰,在车间里由于各种干扰源的存在,模拟量的传送易受干扰,影响系统精度。(b)数字式速度链其根据操作又可分为按键式,触摸屏式,根椐控制器又可分为速度链控制器式,电动电位器、plc控制式,工业控制计算机式,但无论是哪一种方式都具有操作方便、准确、抗干扰力强等优点。特别是通信技术的应用,更是降低了线路的复杂,使得系统更灵活。3.3 速度链设计要求(a)精度,速度链要求有一定的精度,也就是设定运行速度的给定精度。根据纸机传动控制要求和实际经验,一般传动控制速度链精度应在0.01.04%,与纸页的伸缩率有关。(b)速度链结构,速度链结构要求可以形成分支子链,纸机速度链结构是以主链为主的多分支结构。3.4 模拟式速度链3.4.1 模拟式速度链的原理模拟式速度链的原理图如图3-1,图3-1中Rw1为速度总调电位器,Ic1Icn为运算放大器,要说明的是,此图为考虑输出信号的极性,在实际中应加以考虑,Rw2Rwn为各分布传动点的速度微调电位器,U01U0n为速度给定信号接各传动点的电机驱动装置。图3-1 模拟式速度链的原理图3.4.2 速度的调整当系统需要改变车速时,调节电位器Rw1,则Ic1的输出V01也随之改变,同时V01又是Ic2的输入信号,V01改变则V02同时改变这样一级一级的向后传,调节Rw1则V01V0n均跟着改变,即改变了各传动点驱动器的给定信号,从而改变各传动点的速度。由于这种速度链易受干扰,如信号传输距离较远,最好把V01V0n转换为电流信号。3.4.3 速差的实现前面已经分析速度的调节在纸机传动中,各相邻两传动点的速度之比并非为11,因此对速度链要求不但能改变速度,而且要求能够改变速差,在模拟式速度链中,是通过调节电位器Rw2Rwn来调节速差的,也就是速度微调。以第二级来说ic2的放大倍数kp2=(R22+Rw2)/R21如果R21=R22+Rw2则kp2=1,V01=V02则此时第一级与第二级速度相等,调节电位器Rw2,R21R22+Rw2,则V01V02此时第一级与第级速度不等,即可实现速差控制。由于模拟式速度链存在操作不便,易受干扰等缺陷,因此现在已基本上不使用了,只有在部分小型纸机中还在应用。3.5 数字式速度链前面已讲过数字式速度链有多种形式,下面将分别作以介绍。3.5.1 电动电位器型的速度链该速度链的构成如图2所示:它主要利用交流驱动装置本身所具有的数字频率输入功能来解决速度级联问题(如三菱变频器的遥控功能、abb变频器的电动电位器功能)。图2中只画出了速度增加部分,速度减少部分与此完全相同。这种速度链的优点在于系统工作可靠,变频器的频率设定直接由数字信号设定,克服了模拟信号易受干扰的缺点。k01k0n为ac24v的继电器。也可以根据用户的要求用plc来完成以提高系统的可靠性和简化系统结构。图3-2 电动电位器型速度链的构成图3.5.2 全数字速度链控制器类型的速度链全数字速度链控制器是单片计算机产品,是利用单片机技术开发的多传动同步控制器。利用它们来完成纸机传动速度链控制。如图3就是利用全数字速度链控制器级联来实现速度链。其优点在于可以实用于各种类型的变频器,实现了全数字化操作,并可以实现开闭环控制等。提高了系统的控制精度和系统的抗干扰能力。图中只给出了压光和卷取两点的应用。图3-3 全数字速度链控制器3.6 基于plc、工业控制计算机通讯控制的速度链随着计算机通讯技术的发展,纸机传动控制过程中广泛采用通讯控制方式,利用rs485总线或现场总线can总线、profibus-dp总线与变频器通讯完成纸机传动控制。传动控制中心一般采用plc。速度链控制由plc内部软件来实现。软件设计可以有多种方法。下面设计方法是本次plc速度链的软件设计。3.6.1 速度链结构设计速度链结构采用二叉树数据结构算法,用于完成传递功能。首先对各传动点进行数字抽象,确定速度链中各传动点编号,此编号应与变频器内部地址一致。然后根据二叉树数据结构,确定各结点的上下、左或右编号。即任一传动点由3个数据(“父子兄”或“父子弟”)确定其在速度链中的位置,填位置寄存器数值。如图4所示。图3-4 位置寄存器示意图该传动点速度给变频器后,访问位置寄存器,确定子寄存器结点号,若不为0,则对该经点进行相应处理,直到该链完全处理完;再查兄弟寄存器结点号,处理另一支链。故只须对位置寄存器初始化,即可构成任意分支速度链。3.6.2 算法设计算法设计采用了调节变比的控制方法。如图5所示,纸机二压点作为速度链中的主节点,它的速度就是整个纸机的工作车速,则其速度调节就调节了整个纸机车速。在 plc内,当检测到车速调节信号则改变车速单元值,同时送给驱网、吸移、真压、一压分部,其速度值乘以相应的速比即是该传动点的速度运行值。若某一分部速度不满足运行要求,说明该分部变比不合适。可通过操作该分部的加速、减速按钮实现,检测到按钮信号后调整变比,使其适应传动点间的速差控制要求。相当于在内部有一个高精度的齿轮变速箱,可以任意无级调速。若正常生产中变比合适,需要紧纸、松纸操作时按下该分部紧纸、松纸按钮将对应在速度链上附加一正或负的偏移量则实现紧纸、松纸功能。同时送下一级计算,依此类推,构成速度链及速差控制系统。前一级车速调整,后面跟随调整,后级调整不影响前级,适应纸机操作引纸的顺序要求。速度链的传递关系由图来体现,由软件实现。这种速度链的设计不仅只是为实现纸机传动控制要求,而且为后续的计算机优化控制提供了可能。在plc内部有非常精确的传动变比,设计为精度为0.001%,通过设定参数可以做到更高。这样有精确的传动变比上位计算机可以精确地记忆纸机传动过程参数,当需要更换品种或车速时,上位计算机可以准确地将纸机运行参数传入到plc,由plc执行,将纸机调整到当前工作状态。图3-5 速度链传递关系图4 负荷分配4.1 负荷分配问题的产生 在纸机传动控制系统中经常遇到由几台电机同时拖动同一负载的情况。如网部真空伏辊、驱网辊同时带一条网;压榨部真空吸移、真空压榨等复合压榨;光压上、下辊;施胶机上、下辊;等都属于多电机传动。所以类似这样的传动只有电动机速度同步并不能满足实际系统的工作要求,实际系统还要求各传动点电机负载率相同,否则会出现某台电机出力大,某台电机出力小的情况。影响正常抄纸,甚至有可能撕坏毛布或造成断纸。这些传动组中各分部要求有负荷分配控制。4.2 负荷分配控制原理在多电机传动控制过程中各分部电机的负载率相同,即P/Pa相同(P为电机所承担的负载功率,Pa为电机额定功率)。在负荷分配调节过程中不能影响本传动组以外各分部的速度。负荷分配控制:选取传动组中的一个分部作为主传动,连接在主速度链上,其余各分部作为辅传动。如图4-1所示,分部1和分部5传动组的前一级和后一级,负荷分配以分部2为主传动,分部3和分部4,处于速度链的子链上。P2a、P3a、P4a为三台电机额定功率,Pa为额定总负载功率,PaP2aP3aP4a。P为实际总负载功率,P2、P3、P4为电机实际负载功率,则P=P2+P3+P4。系统工作要求P2=P* P2a/ Pa,P3=P* P3a/ Pa,P4=P* P4a/ Pa。负荷分配的目的就是使P2、P3、P4满足上述要求。在实际控制过程中,电机功率是间接量,实际控制的是电机的转矩(或转据电流)百分量。 图4-1负荷分配控制4.3 负荷分配功能常用的几种方法4.3.1 使用PLC通讯控制变频器 现在大多数造纸机传动控制系统都用二级控制,即PLC变 频器。主要是通过变频器本身的物理接口或扩展通讯板,将变频器接入现场总线, 变频器与PLC进行通讯,交换数据。负荷分配的思路是通过通讯,PLC读取各分部的转矩值,将主、辅传动的转矩进行比较,再通过PLC通讯调节各辅传动的给定频率,加大或减小该分部电机的转差率,从而调节该分部电机的转矩。这种控制方法目前使用广泛,工作可靠,控制精度高。4.3.2 使用高性能变频器的转矩控制功能Rockwell Automation的PF700系列工程型变频器可以通过转矩控制方式实现负荷分配的目的。方法是:以一台变频器作为主传动,这台变频器为速度控制模式,其余的辅传动选用转矩控制模式,将主传动的转矩输出作为辅传动的转矩给定,这样辅传动的给定信号是转矩而非频率。辅传动跟随主传动的转矩的变化而变化,起到负荷分配控制的目的。这种控制方式的控制精度高,动态响应快,但适用范围小,对负载有一定的要求。这是因为辅传动负载转矩较大时,电机转速低,负载转矩较小时,电机转速高,空载时甚至可以达到最大频率,这种特性有些像直流调速上的速度调节器饱和的电流控制方法。所以要求负载载运行时必须一直处于加压状态或类似刚性连接,比如光压上、下辊。4.3.3 利用各种系列变频器的特殊软件实现负荷分配控制 许多公司都有解决多电机传动的负荷分配控制的方案。其控制原理与负荷分配原理是一样的,同样可以获得非常好的控制精度。4.3.4 使用PLC扩展A/D模块实现负荷分配控制有些变频器没有通讯功能,负荷分配控制只能通过端口控制。我们利用PLC作为负荷分配控制器,在PLC上扩展A/D模块,采用电机电流,依据负荷分配控制原理经过PLC运算处理,完成负荷分配控制功能。4.3.5 通过转矩限幅间接实现负荷分配功能这种方法是通过让辅传动的速度不比主传动的慢,可以稍微快一点点,然后给辅传动加上转矩限幅使得主辅传动的转矩基本保持平衡,以达到负荷分配的目的。4.4 负荷分配控制功能的要求 造纸机传动控制系统负荷分配要求速度稳定,分配平衡。纸机负载多变,传动情况复杂,所以要求负荷分配快速稳定无振荡,能够随时适应负载变化。4.5 本次负荷分配设计由于电机功率是间接量,本次设计以电机转矩代替电功率进行控制。 (4-1)式中,是第I台电机的负载转矩;是第I台电机的额定转矩;是负载总转矩。负荷分配就是依据电机转矩。利用上述原理对控制的各台电机进行调节。使电机转矩百分比一样。即各电机负载转矩转矩和额定转矩比值应相等这样完成负荷分配的自动控制。本文负荷分配分三部分(如图3-5虚线范围内部分)。(a)驱网辊与伏辊;(b)吸移辊、真空压榨辊与一压、二压辊;(c)施胶上辊与施胶下辊。负荷分配的软件实现,首先基于合理的速度链结构,如图3-5所示。采用主链与子链相结合的结构。使具有负荷分配的传动点组在子链结构上进行负荷动态调整时不影响其它传动点的状态。在纸机传动系统中,因为在有机械相联系的传动点由于所处位置不同。毛布的包角大小不一样,承受的载荷在不同的工作状态下不一样,是一个变量。在实际控制当中,由于电机功率是一间接量,实际控制电机定子电流或转矩代替电机功率,进行读取计算、调节。在一组负荷分配传动点中选取包角较大且功率较大的传动点作为主点其余各点利用PLC通过总线读取电机电流或转矩。分别与主点电流或转矩进行比较。并以PID调节算法,相应调节从点变频器的输出,使其电流或转矩百分比与主点一致。从而达到负荷分配的目的。为了保护机械装置和PLC调节过于频繁,在软件中设置上下限幅值。如果负荷不平衡度大于3%,PLC才进行调整。如负荷分配不平衡度调整量设置太小容易造成震荡。如果大于不平衡上限幅值,进行停机处理。以防止机械损害发生。5 张力控制在纸机的生产线上,为防止纸幅断裂现象,需要保持纸幅张力的稳定,所以要对纸幅的张力进行控制。纸幅张力控制分为直接张力控制和间接张力控制,在大型、高速纸机中通常采用直接张力控制:即在各传动部分的导纸辊上安装纸幅张力传感器用于检测纸幅张力,再通过可编程控制器对纸幅张力进行控制,从而保持纸幅张力的稳定。5.1 纸幅张力检测原理5.1.1 纸幅张力检测分析张力传感器由特殊的刚性材料制成,使用时,将其安装在纸幅导纸辊的支持轴承下方,它只对水平方向的张力起作用。其张力分析如图5-1所示。图5-1 纸幅张力分析图设纸幅张力为F,纸幅张力与水平方向的夹角分别为和,为导纸辊和轴承的重力,分别表示竖直和水平方向的力,于是可得: (5-1) (5-2)根据传感器的值F,就可以计算出纸幅的张力F。5.1.2 张力传感器工作原理以ABB公司的 Loadcell为例介绍张力传感器工作原理。该张力传感器的结构及工作原理如图5-2所示。张力传感器的初级线圈和次级线圈正确通过传感器的4个孔(其中初级线圈为激励线圈,次级线圈为感应线圈)。在正常情况下(即无水平张力)初级线圈的感应磁场如图5-2a所示,由于孔的合理放置,次级线圈无感应电压产生。当水平张力F作用在传感器上时,机械压力就会导致磁场属性发生变化,即初级线圈的磁场发生变化,从而就会在次级线圈中产生相应的感生电动势,如图5-2b所示。感生电动势的大小及极性随张力F的变化而变化,所以,通过测量感生电动势的大小和极性就可测得张力的大小及方向。图5-2 张力传感器结构及工作原理5.2 直接张力控制的应用及实现根据纸机工艺要求,需要在施胶部、压光部及卷纸部配置张力传感器进行张力控制。将张力信号接入PLC,实现张力的闭环控制。保证良好的纸张抄造质量,减少断纸,提高成纸率。本设计中传感器采用ABB公司生产的PFTL101A-2.0KN,该类型传感器的制造材料是高强度的CrMoS17。张力作用的大小反应在输出信号的幅值上,而张力的方向反映在信号的极性上。张力传感器所测信号经过自身的信号处理器进行滤波、放大、转换等处理后传送到控制模块,实现闭环控。图5-3 张力控制原理图直接张力控制原理图如图5-3所示,变频器的速度给定包括3部分:一是来自速度链的主速度给定;二是速度反馈信号,提高电动机运行速度的动态静态精度;三是来自于张力调节器的张力附加给定,用于纸张的张力控制。张力调节器由PLC程序实现。张力给定来自于操作台的装置给定,如操作面板。张力反馈来自于张力传感器。3个给定共同调节变频器的频率输出,实现了电机的速度调节,完成张力控制。图5-4是基于PLC和变频器的速度控制和张力控制过程示意图。 图5-4 基于PLC和变频器的速度控制和张力控制过程示意图5.3 直接张力控制的软件设计程序设计采用模块化结构,以子程序结构适时调用实现各种控制功能;程序采用循环扫描方式对速度链上的传动点进行处理,提高程序执行效率;程序设计通用性强,并具有保护功能;人机界面友好、方便操作。主程序流程如图5-5所示。主程序通过PLC端口程序扫描各传动点加、减、紧状态,看是否需要进行负荷分配控制,再对张力控制信号进行分析,确定是否需要张力控制。张力控制信号是通过张力传感器检测传动单元测量点所得到的模拟电流信号,经AD转换模块写入PLC主控单元,从而进行张力子程序控制。张力子程序控制流程如图5-6所示。在张力控制子程序中,张力实际值和张力设定值都换算为百分比的形式,根据控制经验值,其超调范围一般可设定为5。PLC每个程序周期采样张力寄存器单元的数值,将实际值与设定值进行比较,实际值超调将调用加减子程序,进行速比求和后,再调用速度链子程序,使各个传动点的速度趋于同步,从而达到控制纸幅张力恒定的目的。图5-5 主程序流程图图5-6 张力控制子程序由于系统中既有施胶、又有压光机与卷纸机的张力控制,那么就应该组成干部张力链来对整个干部的张力进行协调均匀控制。这主要是因为张力调节是相互影响的,即施胶的张力调节会影响压光与卷取部分的张力控制,反过来压光与卷取部分纸幅的张力会逐渐传递到施胶部,对施胶部的张力产生影响。干部张力链控制主要在软件编程中实现:在施胶、压光和卷纸等分部的张力控制PLC调节区中专门开辟出一些存储张力比的存储区,这些存储区在系统张力调节平衡时记忆平衡态的各分部间张力比,在系统车速变化时可随时读出这些经验值做动态张力调节,减少由于各张力点独立调节时所引起的滞后,最大限度地减少由于张力控制不协调而导致的断纸。6 电动机6.1 正确选择电动机容量的意义如果电机容量过大,则电机效率低,容量浪费,如果电机容量不能充分利用;如果容量过小,则电机过热,电机寿命要降低。每台电机绝缘材料限制了它的最高允许温度,若工作温度超过允许温度,则每升高8,绝缘寿命缩短一半。所以必须选择合适的容量,选电机时,除选容量外,还要选电机的型式,电流种类,转速等。6.2 电动机容量选择由于连续工作制电动机都是按连续恒定负载设计的,只需PLPN就可使温升不超过允许值,不需要热校核,其容量选择步骤:(a)先计算负载功率PL;(b)按PL选电机,使PNPL;(c)若笼型感应电动机,需要对所选电机进行起动能力校验;(d)若环境温度0与标准40相差较大,应修正电动机的额定值,可按下式修正: (6-1)式中: 为电机空载损耗(不变损耗 )与额定负载的可变损耗之比,为电机额定稳定温升。 6.3 本次设计电动机的选择根据表2-2所给各传动点所需电动机功率要求选择电动机型号如表6-1.表6-1 电动机型号选择传动点电机功率(KW)电机型号备注伏辊22Y180L_4负荷分配驱网辊37Y225S_4吸移辊11Y160M_4负荷分配真空压辊22Y180L_4一压下辊18.5Y180M_4二压辊30Y200L_4三压辊30Y200L_4光压辊15Y180L_4一组缸18.5Y160L_4二组缸18.5Y180M_4三组缸18.5Y180M_4施胶上辊11Y160M_4负荷分配施胶下辊11Y160M_4四组缸22Y180L_4压光机30Y200L_4卷纸机11Y160M_4电动机在额定状态下运行时,其轴上所能输出的机械功率称为额定功率。电动机在额定状态下运行时的转速称为额定转速。额定电压是电动机在额定运行状态下,电动机定子绕组上应加的线电压值。Y系列电动机的额定电压都是380V。凡功率小于3KW的电机,其定子绕组均为星型联接,4KW以上都是三角形联接。电动机加以额定电压,在其轴上输出额定功率时,定子从电源取用的线电流值称为额定电流。防护等级指防止人体接触电机转动部分、电机内带电体和防止固体异物进入电机内的防护等级。防护标志IP44含义:IP特征字母,为“国际防护”的缩写;444级防固体(防止大于1mm固体进入电机);4级防水(任何方向溅水应无害影响)。LW值指电动机的总噪声等级。LW值越小表示电动机运行的噪声越低。噪声单位为dB。工作制指电动机的运行方式。一般分为“连续”(代号为S1)、“短时”(代号为S2)、“断续”(代号为S3)。本次设计选择的是连续工作制(S1)。电动机在额定运行状态下,定子绕组所接电源的频率,叫额定频率。我国规定的额定频率为50HZ。电动机接法表示电动机在额定电压下,定子绕组的连接方式(星型联接和三角形联接)。当电压不变时,如将星型联接接为三角形联接,线圈的电压为原线圈的,这样电机线圈的电流过大而发热。如果把三角形联接的电机改为星型联接,电机线圈的电压为愿线圈的1/,电动机的输出功率就会降低。6.4 电动机功率计算从电源输送到定子电路的电功率为: (6-2)式中定子绕组的线电压,线电流和功率因数。电动机的输出功率,若转子绕组的铜耗和电动机的机械功率损失忽略不计,则: (6-3) (6-4)输出功率与输入功率的比值,称为电动机的效率,即: (6-5)电动机在轻载时效率很低,随着负载的增大,效率逐渐增高,通常在接近额定负载时,效率达到最高值。一般异步电动机在额定负载时效率为0.70.9,。容量越大,其效率越高。6.5 减速器的原理及类型减速器是指原电机与工作机之间独立封闭式传动装置,用来降低转速并相应地增大转矩。此外,在某些场合,也有用作增速的装置,并称为增速器。减速器的种类很多,这里仅讨论由齿轮传动、蜗杆传动以及由它们组成的减速器。若按传动和结构特点来划分,这类减速器有下述五种:(a)齿轮减速器;(b)蜗杆减速器;(c)行星齿轮减速器;(d)摆线针轮减速器;(e)谐波齿轮减速器。上述五种减速器以有标准系列产品,使用时只需结合所需传动速率、转速、传动比、工作条件和机器的总体布置等具体要求,从产品目录或有关手册中选取即可。只有在选不到合适的产品时,才自行设计制造。6.6 齿轮减速机齿轮减速机是按国家专业标准ZBJ19004生产的外啮合渐开线斜齿圆柱齿轮减速机,齿轮减速机广泛应用于冶金、矿山、起重、运输、水泥、建筑、化工、纺织、印染、制药等领域。齿轮减速机适用范围如下:(a)高速轴转不大于1500转/分;(b)齿轮传动圆周速度不大于20米/秒;(c)工作环境温度为-40-45,如果低于0,启动前润滑油应预热至0以上;(d)齿轮减速机可用于正反两个方向运转。6.7 本次设计齿轮减速器选择首先计算速比,确定负载所需转速(也就是减速机出力轴的输出转速),再用电机的输出转速比减速机轴的输出转速就是减速比。得到减速比后,电机的额定输出扭矩X减速比减速机额定输出扭矩,根据减速机的额定输出扭矩选择合适的齿轮减速器。7 变频器7.1 什么是变频器 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置,能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。7.2 变频器工作原理7.2.1 概述主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成,将工频电源变换为直流功率的“整流器”,吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”,以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。 7.2.2 整流器最近大量使用的是二极管的变流器,它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器,由于其功率方向可逆,可以进行再生运转。 7.2.3 平波回路在整流器整流后的直流电压中,含有电源6倍频率的脉动电压,此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动,采用电感和电容吸收脉动电压(电流)。装置容量小时,如果电源和主电路构成器件有余量,可以省去电感采用简单的平波回路。 7.2.4 逆变器同整流器相反,逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率,以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。 控制电路是给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的回路,它有频率、电压的“运算电路”,主电路的“电压、电流检测电路”,电动机的“速度检测电路”,将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”,以及逆变器和电动机的“保护电路”组成: (a)运算电路:将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算,决定逆变器的输出电压、频率。 (b)电压、电流检测电路:与主回路电位隔离检测电压、电流等。 (c)驱动电路:驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。 (d)速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号,送入运算回路,根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 (e)保护电路:检测主电路的电压、电流等,当发生过载或过电压等异常时,为了防止逆变器和异步电动机损坏,使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。7.3 变频器的控制方式我们通常意义上讲的低压变频器,其输出电压一般为220650v、输出功率为0.2400kw、工作频率为0800hz左右,变频器的主电路采用交直交电路。根据不同的变频控制理论,其模式主要有以下三种:(a)v/f=c的正弦脉宽调制模式(b)矢量控制(vc)模式(c)直接转矩控制(dtc)模式针对以上三种控制模式理论,可以发展为几种不同的变频器控制方式,即v/f控制方式(包括开环v/f控制和闭环v/f控制)、无速度传感器矢量控制方式(矢量控制vc的一种)、闭环矢量控制方式(即有速度传感器矢量控制vc的一种)、转矩控制方式(矢量控制vc或直接转矩控制dtc)等。这些控制方式在变频器通电运行前必须首先设置。7.4 造纸机对变频器的基本要求现在造纸机传动控制基本上全采用交流变频传动控制系统,而市场上变频器品牌众多,功能各异。面对如此众多的变频器产品,如何选择变频器及相应的控制系统成为各厂家的难题,下面简单介绍造纸机对变频器的基本要求,以及如何选择变频器。7.5 纸机传动特性与变频器机械特性造纸机传动属于恒转矩负载,所以要求电机采用恒转矩调速。要求变频器工作在恒转矩调速控制状态,所以应该选用恒转矩机械负载变频器。有的公司对于恒转矩调速和恒功率调速采用不同型号的变频器,如西门子公司的ECO风机、水泵控制用变频器和MDV、6SE70恒转矩变频器。有的公司对于恒转矩调速和恒功率调速采用同一型号的变频器,对于同一台变频器采用不同的控制方式所接配的电机不同,变频器内部参数设置不同。如ABB公司ACS400、ACS600系列变频器。比如型号为ACS401-0030的变频器在恒转矩调速控制接配电机22Kw,在风机、水泵恒功率控制接配电机为30Kw。所以用户应该了解变频器的机械特性匹配。7.5.1 频率分辨率对纸机传动性能的影响频率分辨率是衡量变频器的重要指标。频率分辨率包含频率给定分辨率和频率控制分辨率。频率给定分辨率指变频器的给定通道对输入信号的分辨率,一般指模拟输入通道AD的位数。对于通讯通道一般给定精度远远大于模拟通道,所以模拟给定通道若能满足要求,通讯通道是绝对满足的。一般纸机对传动调速的控制精度要求为0.1%,对于一台确定的造纸机从频率分辨率的角度来说,若能在最低速满足给定控制精度,则在高速运行是没有问题的。下面我们举例说明:设本台纸机在低速抄纸,变频器运行频率为10Hz,则要求给定精度为: 10*0.1%=0.01Hz (7-1)所以要求变频器的频率分辨率必须能够小于0.01Hz。所以我们在选择传动系统时注意纸机低速时变频器能否满足控制精度的要求。而不必担心高速的给定精度。给定精度也可以通过变频器参数来进行调节,但缺点是在改变工作状态时需要重新调整参数。如一台用于流浆箱控制的上浆泵变频器,其运行频率一般在3050Hz之间,控制采用SR73A调节器,但是流浆箱液位无法稳定,上浆量忽大忽小,变频器始终调节不能稳定。原因变频器设定分辨率不够。给定忽大忽小,1mA对应2.5Hz。我们可以调节参数,变频器的最小给定为30Hz,即给定0mA对应30Hz,给定20mA对应50Hz,这样1mA对应1Hz,给定频率分辨率提高了2.5倍。频率控制分辨率指变频器的输出最小分辨率,通常说变频器是无级调速是相对而言的。变频器有它的最小分辨率,每次调速频率的最小变化。现在变频器的最小分辨率一般为0.01Hz。用户在选择变频器时应该注意频率分辨率是否能满足设备需要。7.5.2 具有转差补偿变频器对系统稳态精度的影响交流异步电机都存在转差频率,电机的输出转矩和功率与转差频率成正比,变频器为了提高速度控制精度,对电机控制采用转差补偿。依据异步电机的机械特性,当负载转矩增大,转差频率增大,转子产生速降。转差补偿就是利用依据负载改变定子同步频率,以补偿转子因为负载的速降,消除调速静差,从而保证转子的速度维持恒定。变频器的转差补偿依据电机的机械特性进行,变频器要求输入电机铭牌参数,依据铭牌参数来确定电机的控制数学模型,转差补偿量应为: (7-2)由于电机在变频控制调速过程中,不同公司的电机的阻抗不同,所以转差补偿在有时是欠补偿,有时为过补偿。因此对系统稳态、动态精度会有一定的影响。所以在使用变频器的过程中合理使用转差补偿会消除静差,提高系统的稳态精度。调节转差补偿可以获得特殊的机械特性,在板纸机、瓦楞纸机调试运行中非常重要。7.5.3 变频器功能的基本要求纸机对变频器功能的要求与选择的上位控制系统有关,不同的控制方式对变频器的功能有不同的要求。纸机一般要求在操作台上能够对变频器进行起停、爬行/运行、速度微调等控制操作;能够显示分部线速度、电机电流等功能;能够显示变频器工作状态等功能。7.6 PLC通讯控制方式PLC通讯控制方式按照操作方式分有两种控制方式,一种是采用传统的按钮操作方式,另一种为触摸屏操作方式。这两种控制方式要求变频器有通讯控制功能和对应的通讯适配器。如Modbus网络要求有Modbus通讯板;ProfibusDP总线要求有ProfibusDP通讯板。按钮控制方式要求变频器有两路模拟量输出功能;两路的数字量输入功能;两路数字量输出功能。两路模拟量输出一路用于显示分部线速度,一路用于显示变频器输出电流。两路数字量输入用于起停控制和爬行/运行转换控制;两路数字量输出用于显示变频器的工作状态。触摸屏控制方式要求变频器有一路数字量输入,用于急停功能。其它显示控制都在触摸屏上进行.综合上面所需条件,本次设计所选变频器为ABB公司ACS600系列变频器。其具体型号如表7-1. 表 7-1 变频器型号选择传动点电机功率(KW)电机型号变频器型号备注伏辊22Y180L_4ACS601_0030_3负荷分配驱网辊37Y225S_4ACS601_0050_3吸移辊11Y160M_4ACS601_0016_3负荷分配真空压辊22Y180L_4ACS601_0030_3一压下辊18.5Y180M_4ACS601_0025_3二压辊30Y200L_4ACS601_0040_3三压辊30Y200L_4ACS601_0040_3光压辊15Y180L_4ACS601_0020_3一组缸18.5Y160L_4ACS601_0025_3二组缸18.5Y180M_4ACS601_0025_3三组缸18.5Y180M_4ACS601_0025_3施胶上辊11Y160M_4ACS601_0016_3负荷分配施胶下辊11Y160M_4ACS601_0016_3四组缸22Y180L_4ACS601_0030_3压光机30Y200L_4ACS601_0040_3卷纸机11Y160M_4ACS601_0016_37.7 ACS600系列变频器的参数及设置7.71 起动数据起动数据是设定电机信息的一组参数,只需在第一次运行时设置以后就不需要再改变了,这一组参数代码范围从99019910共十个参数。(1)电机信息电机信息包括电机额定电压(9905)额定电流(9906)额定频率(9907)额定速度(9908)额定功率(9909)。这些参数的获得是从电机的铭牌数据中得到。例如一台四极三相异步电动机Pn=30Kw In=59A Nn=1450ipm fN=50HZ UN=380V ,则设置参数时:9906=59.0,9907=50.0, 9908=1450, 9909=30.0。(2)电机控制模式(9904)ACS600系列变频器有两种控制模式(a)DTC即直接转矩控制。(b)SCALAR即标量控制。在直接转矩控制模式下,系统中给定信号为转矩,即使在没有反馈的情况下(即开环)也可对电机进行精确的速度及转矩控制。而标量控制相对来说控制精度要差一些。(3)应用宏的选择(9902)所谓应用;宏就是根据变频器在一些常用的场合中所需的一些功能在出厂时已经经过预编程的参数集。利用这些应用宏用户可以快速完成对变频器的直动。ABB600系列变频器的应用宏有以下几种:(a)Factory(工厂宏)(b)Hand/Auto ctrl(手动/自动宏)(c)PID control (PID控制宏)(d)sequential control (顺序控制宏)(e) Torque control(转矩控制宏)。用户以根据需要选择应用宏。例如在利用变频做压力或流量控制系统中,就可以用PID控制宏实现闭环控制。7.72 变频器控制参数这些参数主要规定了变频器起动方式,包括:10.01 10.02起动/停机/方向的命令的信号源,在外部控制时,变频器的起动和停止应使用外部端子或通信的方式,而ABB600变频器用外部端子又有多种组合,常用的可以设为DI1DI6的任何一个作用起动/停止的命令的输入端。10.03是规定变频器所拖动电机的旋转方向,根据电机学我们知道三相异步电机的旋转方向取决于输入三相电源的相序,在需要双向运行(如电梯、升降机等)的场合可以把这个参数设为REQUEST,由数字输入端子来控制电机的旋转方向。16.01允许信号:要起动变频器将参数必需设为YES。7.73 给定选择外部控制选择11.02ABB600有两个控制源可以选择即EXT1,EXT2。当选择EXT1时,变频器的起动由10.01所指定的输入端子控制,频率由11.03所指定的方式给定。对于PID应用宏,此时为开环控制,对于转矩控制宏,此时为速度控制,当选择EXT2时,变频器的起动及频率来源分别为10.02,11.06;在PID宏及转矩控制宏下分别为闭环控制及转矩控制方式。频率给定源的选择10.03,11.06 分别是EXT1,EXT2的给定源,对于使用模拟作为给定时可以选择模拟输入端子(AI1AI3)的任何一个作为给定,这里要说明的是AI1为010V DC电压信号,AI2AI3为020mA电流信号,当然也可以通信或数字端子(即电动电位器)进行设定频率,将在以后章节中介绍。恒速,在有些场合中,如纸机在爬行时,不需要改变变频器的运行频率就可以用恒速功能,ABB600变频器有15种恒速可以供用户选择。7.7.4 加、减速时间加、减速时间及积分类型的选择十分重要,特别是在拖动大惯性负载时,如在纸机传动系统中,拖动烘缸的变频器在设置加、减速时间应大一些,如加速时间过短,起动时电机处于堵转状态,容易发生过流故障,如减速时间过短则可能发生惯性负载拖动电机,使电机处于发电状态,则变频器发生过压故障,建议在这些场合中如允许可用自由停机方式(即21.03设为COAST)。在纸机传动系统中,烘缸传动加速时间20.02可设为3040s,减速时间可稍长一些,即22.03可设为4080s,其余传动器加、减速时间均可设为2030s。对于参数22.06加速/减速积分类型选择,有两种,(1)线型积分(2)S形曲线。一般传动系统中均可用线型积分,在电梯及复卷机传动系统中则用S形曲线,有兴趣的同学可查阅相关资料。7.7.5 限幅参数限幅参数主要规定电流转矩最高运行频率等参数,在ABB600系列变频器中,最大输出电流能达到200%Ihd,在转矩控制模式下最大输出能达300%,一般来说,在纸机传动控制中,都能满足要求,这些参数基本上不用修改。(参数代码20.03 20.04)对于最高运行频率,一般出厂设定50HZ,如果传动系统减速器选择合适的话,也不用修改,如果要修改这一参数时,要注意的是在运行频率大于50HZ时为恒功率调速,ABB600变频器修改最高运行频率时也设定以下几个参数(以改为65HZ为例)(a)99.07改为65HZ(b)20.08改为65HZ(c)11.05改为1950 rpm(对于四极电机)。7.7.6 闭环控制参数闭环控制的实现对于ABB600变频器有两种途径,其 一是配编码器反馈卡的速度闭环控制,其二是过程PID控制。速度闭环控制,此时要设定的参数有(a)50.01编码器每转的脉冲数,这一参数根据所选编码器来确定,一般有360,500,1024,2048 规格,(b)50.02编码器脉冲的计算,一般在纸机传动中,不需正反转运行可以设定为单A或B输入即可。(c)23.01速度控制器增益(d)23.02速度控制器的微分时间。这三个参数要根据具体的传动系统进行整定,使稳定的动态性能指标均能满足要求。(e)98.01脉冲编码器可选模块选择应设为YES。过程PID闭环控制,在压力流量等闭环控制系统中,反馈量往往是把压力或流量通过传感器转换为电压或电流信号,这时就可以用过程PID控制,参数设置主要是整定PID参数(a)40.01 PID控制器增益(b)40.02 PID控制器积分时间(c)40.03 PID控制器微分时间。8 PLC8.1 PLC选型原则在PLC系统设计时,首先应确定控制方案,下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的,按照易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统,PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间,因此,工程设计选型和估算时,应详细分析工艺过程的特点、控制要求,明确控制任务和范围确定所需的操作和动作,然后根据控制要求,估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等,最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。8.1.1 输入输出(I/O)点数的估算I/O点数估算时应考虑适当的余量,通常根据统计的输入输出点数,再增加10%20%的可扩展余量后,作为输入输出点数估算数据。实际订货时,还需根据制造厂商PLC的产品特点,对输入输出点数进行圆整。8.1.2 存储器容量的估算存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小,程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小,因此程序容量小于存储器容量。设计阶段,由于用户应用程序还未编制,因此,程序容量在设计阶段是未知的,需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算,通常采用存储器容量的估算来替代。存储器内存容量的估算没有固定的公式,许多文献资料中给出了不同公式,大体上都是按数字量I/O点数的1015倍,加上模拟I/O点数的100倍,以此数为内存的总字数(16位为一个字),另外再按此数的25%考虑余量。8.1.3 控制功能的选择该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。(1)运算功能简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能;普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能;较复杂运算功能有代数运算、数据传送等;大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现,目前在PLC中都已具有通信功能,有些产品具有与下位机的通信,有些产品具有与同位机或上位机的通信,有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发,合理选用所需的运算功能。大多数应用场合,只需要逻辑运算和计时计数功能,有些应用需要数据传送和比较,当用于模拟量检测和控制时,才使用代数运算,数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。(2)控制功能控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等,应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制,因此,大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制,有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能,提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。(3)通信功能大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议(如TCP/IP),需要时应能与工厂管理网(TCP/IP)相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准,应是开放的通信网络。PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口(RS2232C/422A/423/485)、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等;大中型PLC通信总线(含接口设备和电缆)应1:1冗余配置,通信总线应符合国际标准,通信距离应满足装置实际要求。PLC系统的通信网络中,上级的网络通信速率应大于1Mbps,通信负荷不大于60%。PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式:a)PC为主站,多台同型号PLC为从站,组成简易PLC网络;b)1台PLC为主站,其他同型号PLC为从站,构成主从式PLC网络;c)PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网;d)专用PLC网络(各厂商的专用PLC通信网络)。为减轻CPU通信任务,根据网络组成的实际需要,应选择具有不同通信功能的(如点对点、现场总线、工业以太网)通信处理器。(4)编程功能离线编程方式:PLC和编程器公用一个CPU,编程器在编程模式时,CPU只为编程器提供服务,不对现场设备进行控制。完成编程后,编程器切换到运行模式,CPU对现场设备进行控制,不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本,但使用和调试不方便。在线编程方式:CPU和编程器有各自的CPU,主机CPU负责现场控制,并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换,编程器把在线编制的程序或数据发送到主机,下一扫描周期,主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高,但系统调试和操作方便,在大中型PLC中常采用。五种标准化编程语言:顺序功能图(SFC)、梯形图(LD)、功能模块图(FBD)三种图形化语言和语句表(IL)、结构文本(ST)两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准(IEC6113123),同时,还应支持多种语言编程形式,如C,Basic等,以满足特殊控制场合的控制要求。(5)诊断功能PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置,软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断,通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC的诊断功能的强弱,直接影响对操作和维护人员技术能力的要求,并影响平均维修时间。(6)处理速度PLC采用扫描方式工作。从实时性要求来看,处理速度应越快越好,如果信号持续时间小于扫描时间,则PLC将扫描不到该信号,造成信号数据的丢失。处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前,PLC接点的响应快、速度高,每条二进制指令执行时间约0.20.4Ls,因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期(处理器扫描周期)应满足:小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K;大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。8.1.4 机型的选择(1)PLC的类型PLC按结构分为整体型和模块型两类,按应用环境分为现场安装和控制室安装两类;按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发,通常可按控制功能或输入输出点数选型。整体型PLC的I/O点数固定,因此用户选择的余地较小,用于小型控制系统;模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡,因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数,功能扩展方便灵活,一般用于大中型控制系统。(2)输入输出模块的选择输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块,应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块,应考虑选用的输出模块类型,通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点;可控硅输出模块适用于开关频繁,电感性低功率因数负荷场合,但价格较贵,过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等,与应用要求应一致。可根据应用要求,合理选用智能型输入输出模块,以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。(3)电源的选择PLC的供电电源,除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外,一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源,与国内电网电压一致。重要的应用场合,应采用不间断电源或稳压电源供电。如果PLC本身带有可使用电源时,应核对提供的电流是否满足应用要求,否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC,对输入和输出信号的隔离是必要的,有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。(4)存储器的选择由于计算机集成芯片技术的发展,存储器的价格已下降,因此,为保证应用项目的正常投运,一般要求PLC的存储器容量,按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时,应选择容量更大,档次更高的存储器。(5)冗余功能的选择控制单元的冗余(a)重要的过程单元:CPU(包括存储器)及电源均应1B1冗余;(b)在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2重化或3重化冗余容错系统等。I/O接口单元的冗余(a)控制回路的多点I/O卡应冗余配置。(b)重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。(c)根据需要对重要的I/O信号,可选用2重化或3重化的I/O接口单元。(6)经济性的考虑选择PLC时,应考虑性能价格比。考虑经济性时,应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素,进行比较和兼顾,最终选出较满意的产品。输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后,相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加,因此,点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑,使整个控制系统有较合理的性能价格比。8.2 SIMATIC S7-300系列PLC系统基本构成8.2.1 SIMATIC S7-300的组成 SIMATIC S7-300系列PLC是模块化结构设计,各种单独模块之间可进行广泛组合和扩展。其系统构成如图8-1所示。它的主要组成部分有导轨(RACK)、电源模块(PS)、中央处理单元模块(CPU)、接口模块(IM)、信号模块(SM)、功能模块(FM)等。它通过MPI(多点通信接口)网的接口直接与编程器PG、操作员面板OP和其它S7 PLC相连。 图8-1 S7-300系列PLC系统构成框图8.2.2 S7-300的扩展能力S7-300是模块化的组合结构,根据应用对象的不同,可选用不同型号和不同数量的模块,并可以将这些模块安装在同一机架(导轨)或多个机架上。除了电源模块、CPU模块和接口模块外,一个机架上最多只能再安装8个信号模块或功能模块。CPU314最多可扩展4个机架,IM360/IM361接口模块将S7-300背板总线从一个机架连接到下一个机架。8.2.3 本次设计的S7-300模块选择(1)电源模块 PS307;2A;(6ES7307-1BA00-0AA0)。(2)CPU模块 CPU314;(6ES7314-1AG13-0AB0)。(3)数字量模块 SM323;( 6ES7323-1BL01-0AA0)。 (4)模拟量模块 SM331;( 6ES7331-7NF0x-0AB0)。8.3 S7-300PLC网络配置8.3.1 MPI网络MPI多点接口网络,特点:一个网络可达32个站;通讯速率:187.5Kbits/s或12Mbits/s;通讯距离50米;所有S7-300400的CPU都集成了该口。该网主要用来连接短距离的工程师站和操作员站。西门子公司的系列PLC可以通过QU模块上的MPI接口组成MPI网络,通过它实现全局数据通信。在PLC之间进行少量数据交换。通过全局数据通信,一个QU可以访问另一个QU的数据块、存储位和过程映像等
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