造纸机的变频调速控制方案及实施毕业设计

欢迎下载本文档参考使用，如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系q1484406321陕西科技大学毕业设计说明书XLVI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,。