（控制理论与控制工程专业论文）基于现场总线device+net的纸机传动控制系统设计.pdf

t h e d r i v i n gc o n t r o ls y s t e mo fp a p e r m a c h i n e b a s e do nf i e l d b u sd e v i c en e t at h e s i ss u b m i t t e dt o s h a a n x iu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n tf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r m e n r y a n i i n 2 m a r c h ，2 0 1 0 基于现场总线d e v ic en e t 的纸机传动控制系统设计 摘要 本文是基于现场总线d e v i c en e t 的纸机传动控制系统的设计，以 纸机传动控制系统为基础，并分析了现场总线d e v i c en e t 的通讯原 理，把现场总线d e v i c en e t 应用到纸机控制系统中，从系统硬件的接 线，变频器参数设置以及使用3 s 编程软件进行部分程序的编写，设 计了整个纸机传动控制系统。 纸机传动控制系统一般是三级控制：驱动控制级、p l c 控制级和 上位机系统。它们之间通过通讯网络有机的结合在一起，是一个集大 量机械装备、电力电子设备、计算机软件等于一体的控制系统，o 本文 中驱动控制级是a b b 公司的a c s 8 0 0 系列的变频器，p l c 控制级是 a b b 公司的a c 5 0 0 系列的p l c ，上位机系统是引用的是d e l l 公司 的产品，变频器和p l c 之间的通讯应用的是d e v i c en e t 通讯协议。 现场总线d e v i c en e t 应用了开放式网络互连的物理层、数据链路 层和应用层，通讯方式是生产者消费者的方式，每一个设备都可以 生产信息，也可以消费信息，是通过m a c 码来辨别是否是自己的应 该消费的信息。文章在纸机传动控制系统中分别对每个设备设置了唯 一的m a c 码，p l c 可以向变频器发生控制指令和给定值。变频器可 以反馈给p l c 当时的状态、速度、转矩和电流。 在硬件方面：整个控制系统的接线，根据实际的接线和总线需要 对变频器进行参数设置，并对一些主要参数的设置进行解释说明。软 件方面：主要是纸机控制系统设计中的基本操作控制、速度控制、负 荷分配控制在程序中的实现，并加以解释说明。文章中是以驱网辊为 例介绍了传动点的硬件和软件的实现。 关键字：d e v i c en e t ，现场总线，纸机传动，速度链，负荷分配 l i t h r e ef a c t o r sa r ec o n n e c t e db yc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s u c hs y s t e mi sa c o n t r o ls y s t e mw i t hp o w e re q u i p m e n t ，e l e c t r o n i ce q u i p m e n ta n ds o f t w a r e t o g e t h e r i nt h ep a p e r , t h ed r i v i n gc o n t r o li sa c s 8 0 0 0i n v e r t e ro fa b b c o r p o r a t i o n ，p l ci sa c 5 0 0p l co fa b b c o r p o r a t i o na n di f i xi sf r o m d e l lc o r p o r a t i o n w h a ti sm o r e ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ni n v e r t e ri s i m p l e m e n t e db yd e v i c en e tc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 f o r a p p l y i n g w i t h o p e n i n t e r l i n k p h y s i c a ll a y e r , d e l l a n d a p p l i c a t i o nl a y e r , t h ec o m m u n i c a t i o nt y p eo ff i e l db u sd e v i c en e ti so f p r o d u c e r c o n s u m e rt y p e ，t h u se a c he q u i p m e n tp o s s e s st h ea b i l i t y t o g e n e r a t ea n di d e n t i f yt h ec o n s u m i n gi n f o r m a t i o na c c o r d i n gt om a c c o d e t h et h e s i ss p e c i f yt h eu n i q u em a cc o d ef o re a c he q u i p m e n ti np a p e r m a c h i n et r a n s m i s s i o nc o n t r o ls y s t e m ，u n d e rs u c hc a s e s ，t h ec o n t r o l d i r e c t i v ea n dg i v e nv a l u ef o ri n v e r t e ra r er e a l i z e db yp l c a n dt h r o u g h i n v e r t e r , t h ep r e v a i l i n gs t a t u s ，s p e e d ，t o r q u ea n de l e c t r i c i t yi n v e r t e rc a nb e k n o w n a sf o rh a r d w a r e ，t h ei n v e r t e rp a r a m e t e rs h o u l db es e ti nl i n ew i t ht h e r e a lc o n n e c t i o na n db u s ，a n dt h em a jo rp a r a m e t e rn e e dt ob ee x p o u n d e d r e f e rt os o f t w a r e ，t h eb a s i co p e r a t i o nc o n t r o l ，a n ds p e e dc o n t r o la n dl o a d c o l l o c a t i o ns h o u l db ei m p l e m e n t e da n de x p l a i n e d w h i l et h i st h e s i s c l a r i f yt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o no ft r a n s m i s s i o np o i n t i i i b yt a k i n gd r i v i n ga sa ne x a m p l e k e y w o r d s ：d e v i c en e t ，f i e l db u s ，p a p e rm a c h i n et r a n s m i s s i o n ，s p e e d c h a i n ，l o a dc o l l o c a t i o n i v i i i i i 1 1 1 ：； z i 4 ! ； ! ； 6 6 6 7 8 速纸机一8 2 4 传动控制系统设计9 2 4 1 速度链的控制设计9 2 4 2 纸机的负荷分配控制设计1 2 2 4 3 张力控制设计1 4 2 4 4 传动系统供电设计1 5 2 5 本章小结一1 7 3 现场总线d e v i c en e t 的原理l8 3 1d e v i c en e t 设备层现场总线与c a n 总线1 8 3 2d e v i c en e t 的物理层l8 3 3d e v i c en e t 的数据链路层l9 3 3 1 帧类型和帧结构1 9 3 3 2 介质访问控制1 9 3 3 3 错误管理2 0 3 。4d e v i c en e t 的应用层2 0 3 4 1d e v i c en e t 的对象模型和对象编址2 0 3 5d e v i c en e t 现场总线的主要特点2 l 3 5 1d e v i c en e t 现场总线的主要特点2 l 3 5 2d e v i c en e t 带来的好处2 2 3 6 本章小结一2 2 4 基于d e v i c en e t 现场总线的纸机传动控制系统硬件设计2 3 4 1 纸机基本参数2 3 4 2 纸机传动控制系统分析一2 4 4 3 控制系统硬件连接2 4 4 4 控制系统参数设置一2 8 4 5 本章小结3 7 5 现场总线d e v i c en e t 在纸机传动控制系统中软件的实现3 8 5 1p l c 内部变量分区。3 8 5 2 纸机的基本操作4 0 5 2 1 纸机传动点的运行停止在程序中的实现4 l 5 2 2 纸机传动点的爬行停止在程序中的实现4 1 5 2 3 纸机传动点的微升微降在程序中的实现4 2 5 3 纸机速度链的实现4 2 5 4 纸机负荷分配控制的实现。4 5 5 5p l c 和变频器之间的通讯4 5 5 6 本章小结4 6 6 总结4 7 致谢4 8 参考文献4 9 攻读学位期间发表的学术论文目录5 2 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明5 3 基于现场总线d e v i c en e t 的纸机传动控制系统设计 1 绪论 1 - 1 论文研究背景 纸机变频传动国外始于二十世纪八十年代中期，国内大约在二十世纪九十年代初 期，变频器技术的推广应用在风机水泵等领域得到了显著的实际效益，在一些机械行业 也发挥了重要作用。造纸机是一种负载基本恒定、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。u j 国有大中企业有很好的设备基础，一般都有大型速度高的纸机，其中一些纸厂如南 平、岳阳等在二十世纪八十年代就已引进和改造了纸机和传动设备，这些直流传动纸机 都在5 0 0m m i n 以上，加之这些纸厂是国家计划经济的一部分，有大量高等院校毕业的 专业技术人员，对维护和使用先进的设备起到了可靠的保证作用。因此，在这些纸机上 采用变频器改造显然不适合也没有必要，而中小型企业或乡镇企业则不然，它们的纸机 大多为低速小型纸机，其传动部分也五花八门，如滑差电机、整流子电机、直流电机的 传动等，由于设备陈旧，加之没有足够的技术力量加以维护和调整，很难保证机器的正 常运行，断纸和停机现象普遍。因此，纸机传动控制系统的稳定和正常运转成为这些纸 厂面临的较大问题。【2 1 当今高新技术发展迅速，越来越多的新型自动化产品推向市场，也使对自动化控制 的要求越来越高，要求其控制效果越来越高。现在的p l c 、变频器的功能越来越强大， 使其对应的之间的通讯也有很大的提高，通讯的可靠性和稳定性越来越强。而且在纸机 的传动控制中，又增加了好多功能，人机界面越来越清晰化。 本课题是以福建隆英纸业0 9 年新上生产线为依据，该系统是由a b b 公司的a c 5 0 0 系列的p l c 为控制单元，a b b 公司的a c s 8 0 0 为执行器的传动控制，现场总线应用的 是d e v i c en e t 通讯协议。 1 2 纸机传动系统概述 纸机变频传动技术水平是和变频器的技术发展水平紧密相关的，由二十世纪八十年 代中期变频调速技术进入实用化阶段以来，变频调速纸机系统也在不断发展变化，在二 十世纪九十年代初期，由于变频器自身及应用水平的局限。大部分纸机传动是以开环和 单机运行的方式工作的。如山东省第二轻工机械厂、山东晨鸣造纸机械有限公司等企业 生产的纸机绝大部分都属于开环运行，有一部分纸机虽然设计成了闭环系统，但是由于 各种原因，最终大部分仍开环运行。而组成d c s 网络形成的控制系统和p l c 工控机等 陕西科技大学硕士学位论文 现代技术的引进则是在二十世纪九十年代中期以后。 纸机的自动化控制，过去主要表现在电气传动控制方面。大型纸机的自动化控制， 一个突出的特点是除了电气传动控制以外，其他的控制内容和范围必须进一步扩大，形 成若干个多分支的子系统。从结构上讲，就是将采集和控制分散在多个现场控制站，而 将操控和监视功能集中在一个或多个操作站上。所以，对纸机本身，需要系列的多单 元系统化协调控制。按照系统分散控制的概念，生产过程的系统的层次更加分明，形成 既相互独立，又全系统贯通的自动化控制结构，组成一个完整的纸机自动化系统。例 下面介绍一下纸机的自动化控制，如图1 1 所示： 图1 1纸机的自动化控制 f i g l 1a u t o m a t i o nc o n t r o lo fp a p e rm a c h i n e 根据工艺指标的具体要求，设计了基于a b b 公司生产的a c 5 0 0 p l c 的d c s 控制系 统。系统由4 台工控机、一台a c 5 0 0p l c 和1 9 个变频器站构成三级d c s ，其中a c 5 0 0 p l c 为本d c s 的核心，完成现场各参数的采集、处理和控制运算。2 台工控机为操作员 站，执行人机接口功能，操作员对现场的监视和操作主要通过这2 台工控机来完成；一 台工控机为优化控制站，用于基于神经网络的纸机控制过程，一台工控机为工程师站。 用于工程师对生产现场的监视、打印报表以及对工艺参数和控制器参数的修改等。 系统设置三级网络：工业以太网、t c p i p 网和d e v i c en e t 网。其中工业以太网用于 工程师站与操作员站及优化控制之间的信息交换。t c p i p 网用于a c 5 0 0p l c 与操作员站 和优化控制站之间的相互通讯，d e v i c en e t 用于a c 5 0 0p l c 与各变频器站之间的高速通 讯。另外，系统还提供丰富的接口功能，能够与造纸厂的其他工段或车间方便地进行联 网与通讯。 2 基于现场总线d e v i c en e t 的纸机传动控制系统设计 1 3 国内外发展的现状 纸机电气传动控制系统的发展是随着纸机机械结构发生变化和工作车速不断提高 的前提下，逐步由模拟到数字再到全集成、全数字、全网络；由集中控制到分散控制再 到全集中控制；由一般交流传动总轴传动到直流分部传动再到交流变频分部传动；由交 流公共母线到直流公共母线；由基于p l c 为控制中心到基于p c b a s e d 控制系统；由电机 经减速机驱动传动分部到电机直接驱动传动分部的发展过程。 约19 6 0 年起，可调直流电压的分部传动形式逐步应用到纸机电气传动控制系统中。 直到1 9 8 2 年左右，模拟式速度调节器应用到直流传动中，该方式的控制精度，在稳定生 产条件下约为最高转速的土o 1 。n - 十世纪八十年代中期，数字式调节器开始取代模拟 式调节器应用到纸机传动中。由于纸机机械部件的原因，在稳态条件下，数字式调节器 的精度仍限于最高车速的士0 0 1 左右。这些机械原因包括轴、轴连轴器、辊外壳的刚度， 以及齿轮啮合和万象连轴器的间隙。在顺变条件下，精确度还受转矩、截面模量等参数 的影响h i 。 在二十世纪八十年代早期，欧洲和日本开发了交流变频分部传动装置，该技术在二 十世纪八十年代中期成功引入美国，不仅适用于纸机和复卷机，还适用于涂布机等设备。 国内纸机在二十世纪九十年之前，中高速纸机的电气传动控制系统以直流分部传动 形式为主。到9 5 年左右，交流变频分部传动控制系统开始在新纸机中占主导地位。 在二十世纪八十年代，矢量变频技术已经比较成熟，为了适应大型多传动分部的机 械设备的传动要求，以a b b 、s i e m e n s 、a b 等公司为代表的电气公司开始开发以公共 直流母线为框架的集散控制系统应用于多传动控制系统。并在二十世纪八十年代开始逐 步应用于多传动控制系统如轧钢、造纸、化纤等行业。1 9 9 4 年苏州紫兴纸业从a b b 公 司开始引进p p s 2 0 0 系统开始，到后来的引进的多台国外成套大型纸机，其电气传动控 制系统几乎全采用基于公共直流母线的集散控制系统，经过多年的学习和理解直到1 9 9 7 年，由天津电气传动研究所开发的具有自主知识产权的基于公共直流控制的多传动控制 系统第一次应用到轧钢厂，并取得了很好的效果。打破了基于公共直流母线多传动控制 系统由外国公司垄断的局面。l 5 j 目前现状，大型高速纸机的电气控制系统基本上属于国外大电气公司的天下。如： 芬兰a b b 公司、德国的西门子公司、德国a e g 公司、美国a b 公司等。高速纸机的电 气传动控制系统全部采用基于p l c 的d c s 控制系统或者是基于现场总线控制的f c s 控 制系统。从干湿法备料系统，制浆系统，流送系统，纸机的湿部、干部、整理部及其辅 助系统可以做到全部自动化控制。控制室可根据市场需要的产品要求，调出相应的控制 方案，下载到中心计算机中上，再到各个控制中心单元，从而使整个生产过程即可统一 进行调整，而生产出优良、合格的产品。 3 陕西科技大学硕士学位论文 到目前为止，国内暂时除了杭州华章公司已承接一台由太阳纸业控股的广东建晖纸 业的5 6 0 0 6 5 0 m m i n 年产3 0 万吨涂布板纸机的整套电气传动控制系统，该纸机的总装机 容量接近1 0 0 0 0 k w 。其控制结构是基于公共直流母线现场总线控制系统。其它众多电气 公司的控制系统还是以配套国内生产的造纸机为主。纸机幅宽在6 5 m 以下，工作车速在 6 0 0 m r a i n 以下。该类纸机的电气控制系统，多数纸机的传动以p l c 控制为核心，纸机的 辅助控制系统有的并未完全实现电、气、液一体化的设计概念。尽管纸机的制浆系统与 流送系统部分，供汽系统等有的纸机传动控制系统也采用了d c s 控制，但整台纸机并未 实现真正意义上的统一的集中控制。如：陕西科技大学微机所，过控所，陕西科达公司， 四川的高达公司，海天公司，浙江大学双元公司，上海电控所，上海瑞华公司，上海华 欣公司，北京的和利时，北京的景新公司等。 现场总线也在纸机传动控制系统的发展中得到了很大的应用，尤其是西门子公司的 p r o f i b u s d p ，罗克韦尔公司的c o n t r o ln e t 和d e v i c en e t 等在纸机控制系统中得到了很大 的应用。 1 4 论文的主要工作以及研究的内容 在拟调试的过程中，已经实现了a b b 公司的a c 5 0 0 与a b 公司的a b l 3 3 6 以及a b b 公司的a c s 8 0 0 之间d e v i c en e t 的基本通讯，a c 5 0 0 与变频器之间的b a s i cs p e e dc o n t r o l 通讯已经试验成功。可以实现控制字给定，速度给定并可以接收返回状态字，速度反馈。 由于应用变频器的功能比较多比如对电流、电压，加减速等的控制，所以迸一步要对 e x t e n d e ds p e e dc o n t r o l 进行试验。 先从理论上研究纸机的速度控制、张力控制和负荷分配控制。然后通过3 s 编程软 件编写纸机的控制程序，在四滚轴纸机模型上进行试验。在试验中发现理论与程序的不 足，然后加以改进，直到效果到达预期标准。 1 5 本章小结 本章主要是对本课题的研究背景，纸机传动控制系统的概述和国内外发展的现状以 及主要的工作和研究的内容进行阐述。 4 ， 形 而 单 成 所 包 括干燥部、压光机和卷纸机。 经过配浆、施胶、加填和净化以后，具有适于抄纸的性能的浆料，在0 3 - - 1 3 的 浓度下进入造纸机的浆料流送设备。在这里，纸料经过浆流分布器和流浆箱对浆流的分 布和匀整以后，均匀而稳定地流送到运动着的成形网的网面上。浆流在网案的胸辊中心。 线附近上网以后，逐渐地过滤、脱水，形成连续的湿的纸幅5 1 。 t 导一曲同毛布 图2 - 1 造纸机传动系统简图 f i g2 - 1p a p e rm a c h i n e st r a n s m i s s i o ns y s t e m 网案上通常设有案辊、真空吸水箱、伏辊等成形一脱水元件。当湿纸幅脱水到一定干 度( 通常是2 0 左右) ，便可以从网面剥离，送至压榨部继续脱水。 造纸机的压榨部是由若干组辊式压榨组成。湿纸幅是由压榨毛毯支托着，在压辊间 用机械挤压的方法脱水的。为了保持压榨毛毯的良好脱水性能，压榨上辊配设有毛毯洗 涤装置。经压榨部后，湿纸幅的干度一般可达4 0 左右。 湿纸幅在纸机上进一步脱水，通常是用加热蒸发干燥的方法。造纸机的干燥部通常 是由许多用蒸汽从内部加热的烘缸组成。烘缸上包覆着干毯( 或帆布、干网) ，目的是 将纸幅紧压到缸面上，提高传热效率和增进纸幅的表面质量。 5 陕西科技大学硕士学位论文 干燥后，通常使用由6 - 8 辊组成的压光机来提高纸幅表面质量。最后用卷纸机卷 成纸筒，供整饰工段进一步加工使用。 2 2 纸机的传动控制的主要要求 造纸机传动装置的形式应按照生产品种，产量和质量来选择。按照网部结构的不同， 可分为几种类型：长网类型、圆网类型、夹网类型、叠网类型、和带有饰面辊等特殊结 构的造纸机等。 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： 6 1 1 ) 纸机速度应该具有较高的鲁棒性，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4 - 0 0 5 - - 0 0 1 ； 2 ) 有数字化串并联速度链调节，使各分部速度按比例协调控制并同步升、降速， 速比可调、稳定。一定的速差波动不会造成纸质的突然变化。这个时候的速度差对成品 纸而言，主要影响纸页的薄厚，波动应控制在o 1 以内从而保持纸张不被拉断。纸机各 传动点的速度必须是可以调节的，为4 - 1 0 1 5 。为了生产质量较高的纸幅和减少断头的 次数，还要保持各分部间速差的稳定1 6 1 ； 3 ) 各分部点具有速度微升、微降功能，引纸操作时还要具有紧纸、松纸功能； 4 ) 主要的显示功能，如线速度、电流或转矩、运行信号、故障信号等； 5 ) 主从传动点之间能够实现联动工作、负荷分配调节。具有刚性联结或软联结的 传动点，如网部、压榨部、施胶部，能够进行负荷动态调节。以防某传动点的速度发生 变化而发生负荷在传动点内动态转移，如不及时进行自动的调节，有的分部负载可能超 过它自身的功率范围从而引起过流，有的分部被拖动而产生过高的泵升电压，导致变频 器过压而保护跳闸，甚至损坏变频器和撕坏毛布。同时在这些分部中，应具有单动、联 动功能，并可以在联动的时候同时起动、停止； 6 ) 纸机负载稳定，要选择具有恒转矩控制性能的变频器，并具有较高的控制分辨 率，支持多种通讯的能力，并可以与p l c 作为控制单元进行通讯，从而对整个传动系统 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 纸机控制系统结构 下面是针对纸机车速的不同，电气控制设备的不同的例子： 2 3 1 工作车速在2 0 0 m m i n 以内的纸机 该类纸机的电气传动控制方式可采用p l c + 变频器的控制方式。p l c 选用 s i e m e n s 的s 7 2 2 6 型或o m r o n 的c q m 1 h 型，变频器可选用s i e m e n s 的 m m 4 4 0 型或a b b 的a c s 4 0 0 型，采用开环控制即可满足纸机工作的需要。以 6 基于现场总线d e v i c en e t 的纸机传动控制系统设计 2 6 4 0 1 8 0 m m i n 长网八缸造纸机为例。 该2 6 4 0 1 8 0 长网多缸造纸机具有网部，压榨部，施胶部，干燥部，压光 部，卷取部组成。根据造纸生产工艺要求，压榨部真空压榨辊，压榨辊及大缸 有三点有钢性连接或软连接，需要负荷动态调节。施胶部有上下辊的钢连接点 组成也需负荷动态分配。纸机电气传动控制系统结构如图2 2 示。 s 7 2 2 6p l c j 宴堂室一。童宴 宴 2 3 2 工作车速在3 5 0 m m i n 以内的纸机 该类纸机的电气传动控制系统采用两级控制方式，p l c + 变频器+ 编码器。 p l c 选用s i e m e n s 的$ 7 31 5 2 d p 型，变频器选用a c s 8 0 0 型或6 s e 7 0 型。编 码器选用o m r o ne s b 2 c w z 6 c10 2 4 p r 型。该纸机控制系统采用速度闭环结、 构，满足系统较高的控制精度、二压辊，施胶部的上下辊，需要负荷动态分配。 s 7 2 2 5 完成水平气动卷纸机的顺序控制及各种连锁、保护等功能。 】 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。其中长网部的真空伏辊与驱网辊，压榨部的真空吸移、真 空压榨辊、一压辊、二压辊，施胶部的上下辊，需要负荷动态分配。$ 7 - 2 2 6 完成水平气动卷纸机的顺序控制及连锁、保护等功能。控制结构如图2 3 示。 图2 3 控制系统结构图 f i g2 3s t r u c t u r ed i a g r a mo fc o n t r o ls y s t e m 7 陕西科技大学硕士学位论文 2 3 3 工作车速在6 0 0 m m i n 以内的纸机 该类纸机的电气传动控制系统的控制方式，采用三级控制的全数字i p c p l c - 变频 器控制系统，工控机选用d e l lp i v 型，变频器采用具有直接转矩控制功能的a b b a c s 8 0 0 变频器或s i e m e n s6 s e 7 0 型，p l c 选用s i e m e n ss 7 4 1 4 2 d p 型，光电 编码器采用o m r o ne 6 8 2 型。由s 7 4 0 0 通过现场总线实现网部、k 压部、大辊径压 榨、半干压光机的负荷分配控制，实现半干压光部和卷纸机部的直接张力控制及整个系 统的控制。并有操作屏或触摸屏进行纸机电气传动点的各种操作。由两台s 7 2 2 6 与 s 7 4 0 0 配合实现卷纸机的自动换卷控制和压榨部的顺序控制及各种连锁、保护等机、 电、液一体化功能。以4 4 0 0 5 5 0 m m i n 长网多缸瓦楞纸机为例陋3 。 该纸机由长网部、k 压部、大辊径压榨部、半干压光部、干燥部、卷取部等组成。 其电气传动控制系统结构如图2 - 4 示。 p l c 囊聪 p r o f i b u s - d p 土幽凼。幽! ”南。“卤如 $ 7 2 0 0 操作屏操作屏操作辫操作屏操作屏$ 7 2 0 0 图2 - 4 控制系统结构图 f i g2 - 4s t r u c t u r ed i a g r a mo fc o n t r o ls y s t e m 2 3 4 工作车速在6 0 0 m m i n 以上的大型高速纸机 该类纸机的电气传动控制系统的控制，采用基于公共直流母线、现场总线的全数字 三级或四级控制方式。基于公共直流母线的控制结构是采用公共整流单元，公共直流母 线的予充电装置、公共制动单元，下挂一定数量的变频器驱动变频异步电机。有大型p l c 作为中心控制器，由操作屏( 触摸屏) 进行现场操作。既可减少谐波、提高系统功率因 数、加快系统的动态过程，又可实现系统快速停车和特殊传动分部正常发电工作 的需要( 工作在发电状态，需要回馈电能) ；采用现场总线结构是提高控制系统的通讯速 度，提高系统抗干扰的能力并减少接线。操作屏( 触摸屏) 相互冗余，提高系统的可靠 性 9 1 。系统结构如图2 5 所示 8 2 4 1 速度链的控制设计 在造纸机分布式传动中，因为各相邻传动点之间的速度应保持一定的比例关系，且 在调速的过程中，应满足只影响自己和自己以后的各传动点，而不影响前面其他传动点 的速度，所以每个传动点是在基于前一级的速度调节自己的速度并把速度值传送给下一 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控制系统中的一个主要 问题，设计时应考虑精度，速度链一定要满足纸机传动中的精度等。 一般来说速度链可分为两类：第一种是摸拟式速度链，这种速度链在分布式纸机直 流传动中应用较多，其车速调整的变化均为模拟量。优点是线路简单、经济，缺点是不 好操作、调整车速的时候很难掌握调节量的大小，由于在车间里环境很复杂，存在各种 磁场等因素，模拟量的传送很容易受干扰，影响控制精度。第二种是数字式速度链，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、p l c 控制式、 工业控制计算机式。都具有方便操作、准确、抗干扰力强等好处。特别是通讯技术的应 用，更提高了控制的稳定性和精确性，使得系统更灵活n 。 现在已经很少使用模拟式速度链，主要应用数字式速度链。随着p l c 功能的不断 强大，只需要在软件程序方面做一些修改就可以实现速度链控制，不再需要外部速度链 控制器。所以基于p l c 、工业控制计算机通讯控制的速度链在纸机控制系统广泛应用。 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 r s 4 8 5 总线或现场总线c a n 总线、d e v i c en e t 总线与变频器或变频器通讯完成整个纸机 传动控制系统。传动系统控制器一般采用p l c ，速度链控制则是在p l c 内部通过编程来 9 陕西科技大学硕士学位论文 完成。 速度链结构采用主从链的数据结构算法，用于完成传递作用。首先对各传动点进行 数字描述，按照前后顺序规定好速度链中各传动点编号，此编号应与变频器内部地址一 致。然后根据主从链数据结构，确定各节点的上下、左或右编号。即任传动点由3 个 数据来确定它在速度链中的位置，填位置寄存器数值，三个储存地址分别储存该点的上 一级传动点的编号( 或变频器内部地址) 、该点的速度值、该点与上一级的速比嘲。如图 2 6 所示，以福建隆英纸业2 0 0 9 年新上的生产线为例简单介绍一下速度链的实现。整个 速度链是驱网辊为第一个传动点的主链，作为速度链基准速度，直接通过操作屏或上位 机设置，然后往下级和往子链传递，实现速度控制n 。 哥蓁 图2 - 6 位置寄存器 f i g2 - 6l o c a t i o nr e g i s t e r 算法设计采用了调节速比的控制方法。如图2 7 所示，在p l c 内，检测到车速调节 信号则改变车速单元值，1 点处的速度就为驱网辊变频器的运行速度设定值，将其送驱 网辊变频器执行，并送给一压下计算。驱网辊的速度值乘变频器的运行值。若一压下分 部速度不满足运行要求，说明一压下速比不合适，可通过操作一压下的加减速来调节速 比来生产要求。p l c 检测到按钮信号后调节b l 即调整了变比，使其适应的齿轮变速箱， 可以任意无级调速，相当于在p l c 内部有一个高精度速比调节器。 在实际纸厂操作中，由于某个工人的误操作，可能会导致速比( b a ) 过大或过小， 技术员又不能很准确的修正到比较合适的速比，那么就会耽误生产，对厂家来说是种 1 0 一一一一一 一一 一一 一一 一一一 一一 工一工工工工工工一工一 基于现场总线d e v i c en e t 的纸机传动控制系统设计 损失，所以怎么样才能叫技术员准确的修正速比是一个问题。这个速比的选取是传动计 准拿，p 二l 在争d i 型睦 一血日l l ，士六叫 西南- 气一育= 匕厶正，| 司- 讥士士臣耳日1 f2 k 序九：普t 气一 异篮a 丌异出木刚， ，h 旭日i j 。 第一分部 至下一分部 加速 等彳2一由千一l + 3r i 习。 _ i h - 一 刨 一 减速一 口 松纸 第一台一楚匆i 器第二台!蹙j蔓j雯器 图2 - 7 速度链的 f i 9 2 - 7c o n t r o lm e t h o df o rs p e e dc h a i n 现在很多纸机传动程序用另一种速度链拦! |羽方法，它的实现是楚羊的，如图2 - 8 所 示：设本级的速比是k 1，上一级的速度是v ， 二怔级速度是v l ，传动骞! ：匕是c l ，那么本级 的速度的算法应该是】厂：矿木k 宰c l 也就是造纸么? 司的操作员在操作刭：茬墨中，操作加、减 速的时候不再改变b 的值，而是改变另外一个变量c l 的值，这样当工人出现误操作的时 候，只需要技术员把c l 修改为l 即可，速度链的控制就会正常，这样会大大缩短因速比7 错误而引起的停机时间。 若正常生产中变比合适，某种原因需要用紧纸、松纸时，按下该分部紧纸、松纸按 钮，p l c 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。图2 8 中就 包含了调速和紧纸、松纸等操作指令的速度值，将它送给第二台变频器执行，同时送下 一级计算。依此类推，构成速度链控制系统n 别。 图2 - 8 改进后速度链控制方式 f i g2 - 8r e v i s e dc o n t r o lm e t h o df o rs p e e dc h a i n 在编制程序的时候，还应该考虑变量c 的大小，因为速比k 一般是准确的，不需 陕西科技大学硕士学位论文 要过大的修改传动变比c ，那么就应该在程序中对传动变比c 有限幅设置。如果操作员 在加速的过程中，传动变比c 到达上限的时候，传动变比c 就不再增加了，而是保持不 变，减速亦然。这样也是降低操作员误操作所造成的损失。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p l c 内部有非 常精确的传动变比，设计为精度为0 0 0 5 ，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p l c ，由p l c 执行，将纸机调整到当前工作 状态。 2 4 2 纸机的负荷分配控制设计 在传动控制过程中如纸机、印染机或其他传动系统中经常遇到由几台电机同时 拖动同一负载的情况。例如压榨部两辊压榨，上下传动辊都有自己的传动电机，通过加 压同步运行。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。u 副 对于造纸机如网部真空伏辊、驱网辊以及导网辊同时带一条网布；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。所以这些 分部要求有负荷分配，它们之间要求速度同步的同时要求负载率均衡，否则会影响正常 抄纸。当负荷不能均匀分布时，有可能撕坏毛布或造成断纸。 在多电机传动过程中要求各传动点电机负载率相同，即6 = p i p i e 相同( p i 为i 电 机所承担负载功率，p i e 为电机额定功率) 。而且在负荷分配调节过程中不能影响其它各 分部的速度。所以采用速度链主链与子链相结合的设计方法。 负荷分配控制中选取一台电机作为本组主电机，连接在速度链上，其它电机作为子 电机，形成子链控制结构。以三点负荷分配为例如图2 - 9 所示，编号为0 和4 是需要负 荷分配的前级和后级，负荷分配以1 为主，2 、3 作为l 的从机，处于速度链的子链上。 p l e 、p 2 e 、p 3 e 为三台电机额定功率，p e 为额定总负载功率，p e = p l e + p 2 e + p 3 e 。p 为实际总负载功率，p l 、p 2 、p 3 为电机实际负载功率，则p = p i + p 2 + p 3 。系统工作 要求p l = p p l e p e ，p 2 = p p 2 e p e ，p 3 = p p 3 e p e 。目的就是使p l 、p 2 、p 3 l 变频器。卜- 叫变频器l 卜_ 叫变频器4 变频器2变频器3 图2 9 变频器1 、2 、3 处于负荷分配控制 f i 9 2 - 9i n v e r t e r1 ，i n v e r t e r2a n di n v e r t e r3a tl o a dd i s t r i b u t i o nc o n t r o ls t a t u s 1 2 基于现场总线d e v i c en e t 的纸机传动控制系统设计 满足上述要求。 纸机传动系统的负荷分配主要是交流变频控制系统，所以主要介绍交流传 动负荷分配控制，交流传动没有像直流传动那样有明确的电流环、速度环，又 不能直接控制变频器内的电流环，所以做负荷分配较为复杂n 射。 由于一些变频器不支持直接转矩控制，所以把交流传动分三部分，第一种 是使用具有转矩控制性能的变频传动控制系统，第二种是不具有转矩控制性能 的变频传动控制系统。第三种是不管变频器是否具备转矩控制性能，可以利用 各公司自己的特殊软件解决负荷分配。下面简单介绍一下。 现在的纸机传动控制系统采用的是现场总线控制系统，是全数字化控制， 依据负荷分配控制算法精确计算，控制变频器达到负荷平衡。变频器支持通讯 功能，通过现场总线，变频器可以和工控机、p l c 之间进行通讯，交换数据。 解决负荷分配问题所使用的思路是通过p l c 通讯，读取到各个传动点的转矩 值，再通过p l c 通讯调节各个变频器的给定频率，加大或减少该电机的频率， 从而调节该电机的转矩。 这种解决负荷分配问题，其有点是：调试简单、工作可靠，不足之处是要 求过于专业化，对用户技术要求较高。这种控制负荷分配可以达到2 0 个传动 点以上，控制精度很高，负荷分配不平衡可以控制自在3 以内。 ， 具体实现是：首先检测通讯交换的转矩数据是否为正，若主点的转矩为负， 那么说明从点的速度大于主点的速度，带动主点运行，主点的传动电机处于制 动发电状态，需要降低从点的速度，因为主点处于速度链主链上面，荐改变主 点的速度就会影响后面的传动点的速度，而改变从点的速度不会出现这样的影 响；若某个从点的转矩为负，那么说明这个从点的速度小于主点的速度，带动 这个从点运行，这个从点的传动电机处于制动发电状态，需要提高这个从点的 速度，调整速度直到电机的转矩为正为止。 然后是在主点和从点的转矩都为正的前提下，检测从点和主点之间的转矩 差是否过大，若主点和某个从点的转矩差过大，这个转矩差又分为主点的转矩 大于从点的转矩和主点的转矩小于从点的转矩，若主点的转矩大于从点的转 矩，那么说明从点的速度还是太小，需要增加从点的速度，若主点的转矩小于 从点的转矩，那么说明从点的速度太高，需要减