电子论文-PLC在造纸机负荷分配控制中的应用.pdf

PLC 在造纸机负荷分配控制中的应用在造纸机负荷分配控制中的应用 张攀峰 孟彦京 李颀 党宏社 陕西科技大学电气与电子工程学院 陕西咸阳 712081 摘摘 要 要 介绍了纸机变频传动中负荷分配问题产生的原因及影响 同时介绍了 PLC 控制负荷分配 的原理 方法及应用 关键词 关键词 PLC 负荷分配 变频传动 中图分类号中图分类号 TP2 文献标识码文献标识码 B The Application of PLC in the Control System of Load Distribution for Paper Machine Zhang Panfeng Meng Yanjing Li Qi Dang Hongshe College of Electrical and Electronic Engineering Shannxi University of Science and Technology Xianyang China 712081 Abstract Abstract This paper introduced that the reason and impact of load distribution in the variable frequency drive for the paper machine The principle method and application of load distribution controlled by PLC are also introduced Keywords Keywords PLC Load Distribution Variable Frequency Drive 1 引言引言 PLC Programmable Logical Controller 即可编程序控制器 是微型电子计算机与常规控制元件 如继电器等互相结合形成的新型工业自动化控制装置 它是在一位机 顺序控制器和计算机控制的 基础上发展起来的 把继电器控制简单易行 成本低 容易掌握等优点和计算机的功能完善 灵活 方便 通用性好等特点结合起来 抛弃了传统的计算机编程语言和表达形式 而是以计算机软件技 术构成人们习惯的继电器模型 进而得到以继电器电路梯形图为基础的形象编程语言和模块化软 件 对于继电器 计时器 定时器和输入信号等内部资源 它可以自如地使用软件构成的逻辑功能 多次进行调用 PLC 不但能代替继电器控制简单的开 关顺序 而且能够控制模拟量 还具有通讯 及联网功能 可形成分布式控制系统 监测其它的控制器 并能与上位机进行通讯联系 收集生产 中的数据 向各主管部门传送重要信息 自 60年代末 PLC 产生至今 PLC 控制技术已在工业控制 领域占领主导地位 国外专家预言 PLC 技术将在工业自动化的三大支柱 PLC 机器人和 CAD CAM 中跃居首位 而自八十年代中期发展起来的交流变频调速技术因其简单 可靠和维护 工作量小等特性被广泛应用 并在纸机传动中应用越来越广 负荷分配是纸机传动中的一个关键问 题 其控制的好坏将直接影响整个系统的正常运行甚至生产率 传统的纸机负荷分配问题多由设计 好的负荷分配器来控制 由于现场的干扰较强 因而使其控制的精度受到影响 在山东成武造纸厂 的两条纸机的变频传动控制中 我们用 PLC 和变频技术结合起来解决负荷分配问题 自应用以 来 控制效果良好 大大提高了生产率 为企业创造了可观的经济效益 2 负荷分配问题产生的原因 影响和控制要求负荷分配问题产生的原因 影响和控制要求 2 负荷分配问题产生的原因 负荷分配问题产生的原因 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 如纸机的压榨部两辊压榨 如图 1所示 上下传动辊都 有自己的传动电机 经过加压同步运行 对于类似这样 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 例如山东成武造纸厂有两台纸机 主要包括网部 真空压榨 压榨 大缸 二缸 施胶 多缸 压光和卷取九个分部 其中压榨部包括真空压榨 压榨主要对纸张进行挤压去水 烘干部包括大缸 二缸 多缸主要对纸张进行烘干 再经过施胶 压光 最后卷取成型 其中每一分部都有一台电机带动 所以共有九台电机 形成分布式传动系 基金资助 陕西省教育厅产业化培育项目 基金资助 陕西省教育厅产业化培育项目 05JC05 陕西省教育厅 专项研究计划 陕西省教育厅 专项研究计划 05JK143 统 同时纸机真空压榨和压榨 上下传动辊都有自己的传动电机 通过加压同步运行 当线速度一样时 三台电机有可能出现一台出力大一台出力小的现象 这就产生了负荷分配问题 2 2 负荷分配问题产生的影响负荷分配问题产生的影响 负荷分配问题是纸机传动控制中的一个关键性问题 负荷分配问题如果处理不好 就会导致两 种情况 第一个方面是在系统启动时 机械部分尺寸不一样 控制尺寸小的电动机因启动较快成 为 电动机 尺寸大的电机因启动较慢而成为 发电机 这时控制尺寸小的电动机因承担了过多 的负载会过电流 从而变频器会出现过电流保护 影响纸机的正常运行 这就是我们所说的 发电 状态 第二个方面是在系统启动后到达稳态时 由于线速度不同而发生的负荷分配问题 同样会 出现控制速度过快电机的因承担更多的负载而导致变频器过电流保护 这些现象都应避免和解决 2 3 负荷分配控制要求负荷分配控制要求 纸机对传动系统要求快 准 稳 所以负荷分配控制也要求快速 稳定和无震荡 所以负荷分 配设计时应根据工艺传动要求和工艺操作要求进行合理设计 在设计时 负荷分配和速度链既独立 又相互关联 所以在设计时应注意两者的衔接问题 3 总体设计 变频器和总体设计 变频器和 PLC 的选型的选型 3 1 总体设计总体设计 按照企业和设计要求纸机各分部电机的起动 停车和紧急 停车可以仍用接触器 继电器控制 以节省 PLC 的 点 数 如图 所示 3 变频器的选型变频器的选型 在本次设计中选用日本三菱公司的 FR A540 型变频器 该 变频器可以通过控制端子 RH RM 和 RL 选择多段速度 用 STF STR 设置正反转起动 有标准模拟量输入 输出信号 同时带有RS232通讯口 自身带有变频器异常时的输出端 子 有过压 过电流保护 在控制过程中 通过 PLC 与变频器 的控制端子相连来改变输出频率 从而改变电机的转速 3 PLC 的选型的选型 各分部的增速 减速 微增和微减各与一个按钮相连作为 控制输入信号进入 PLC 所以九个分部共需 36个输入信号和 36 个输出信号 另外考虑到纸机的负荷分配控制时要用到模 拟量输入 根据 点数够用和经济原则 故选用 OMRON CQM1 型 PLC 即可完全满足要求 该 PLC 是日本立石公司生产 采用模块结构 有 CPU模块 输 入模块 输出模块 A D转换模块 所用的模块通过专用的导板连接成一个整体 使用模块化结构 的最大好处就是可以根据输入 输出的点数进行灵活地配置 该 PLC 采用了比较先进的微处理 器 尺寸紧奏 可用于一般的控制系统 其特点是处理速度快 抗干扰能力强 其中每个输入模块 的输入点数是 16 输出点数是 8 PLC 把所需的模块通过导板连成一个整体以后 CPU会自动的 给每个模块分配一个通道号 其中输入通道从 000 开始 输出通道从 100 开始 由于 CPU模块上 也带有 16 点的输入 故输入点的编址为 00000 00015 由于该系统总的输入点数为 36 个 因此需 另外增加两个输入模块 地址为 00100 00115 00200 00215 输出模块需 5 个 分别编址为 10000 10007 10100 10107 10200 10207 10300 10307 10400 10407 各分部的加速 减速 微增和微减均分配了对应的地址 4 速度链和负荷分配控制的设计速度链和负荷分配控制的设计 4 1 速度链的设计速度链的设计 按照纸机的特点和控制要求 对负荷分配进行设计必须结合速度链的设计 由于纸机各分部传 送着生产过程中的纸张 所以各分部间要求达到线速度的比例协调 即相邻两个分部间的线速度比 值应该保持恒定 而该比值是由生产工艺决定性的 高精度地 可靠地 保持这个比例系数是保证 产品质量 保证生产正常运行的一个重要条件 任何原因 如负载扰动 环境温度变化 电网电压 的波动或系统参数变化等 破坏这种比例协调 就会造成断纸或降纸产品质量 分部传动造纸机的 速度比例协调功能应在改变车速或在停机后重新开车时继续保持 而毋须重新调节 其次这种比例 协调应具有微调功能 以调节相邻两分部间的速差 避免纸张在传送过程中的松驰和过紧现象 速 度微调应该灵敏 可靠 不应在调节中有时显的滞后现象 以免操作工人反复调节 这种由主令速 度给定值 分配给各分部速度给定值的装置称为速度链 现行的速度链依控制量分有模拟式和数字 式两种 在本次设计中 我们采用由 PLC 构成的数字量控制 在控制时将前一级各分部的速度的增 速 减速 微增和微减的输入按比例地分配到后一级各分部的速度的增速 减速 微增和微减控制 中即可 本文不作重点介绍 4 2 解决负荷分配问题的原理解决负荷分配问题的原理 1 2 在多电机传动过程中要求各传动点电机负载率相同 即 Pi Pie相同 Pi为 I电机所承担的负 载功率 Pie为该电机的额定功率 3 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 以一般采用速度链主链与子链相结合的设计方法 如图 3所示 负荷分配控制中一般选取一台电机作为本组主电机 连 接在速度链主链上 其它电机作为子电机 形成子链 控制结构 下面以三点负荷分配为例进行说明 如图 2 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 1 的从机 处于速度链的子链上 P1e P2e P3e为三台电机的额定功率 Pe为额定总负载功率 Pe P1e P2e P3e P为实际总负载功率 P1 P2 P3为电机实际负载功 率 则 P P1 P2 P3 系统工作要求 P1 P P1e Pe P2 P P2e Pe P3 P P3e Pe 负荷分配的目的就是使 P1 P2 P3满足上述 要求 在实际控制当中 电机功率是一间接量 所以实际控制近似 以电机定子电流代替电机功率 即 其中 IL i 第 台电机出力电流 Ie i 第 台电机额定电流 IL 负载总电流 负荷分配就是依据电机电流 利用上述原理对控制的各台电机进行调节 使电机电流百分比一 样 即各电机转矩电流和额定电流比值应相等 这样完成负荷分配的自动控制 4 3 负荷分配的控制负荷分配的控制 4 3 1 使用负荷分配控制器使用负荷分配控制器 传统的负荷分配控制一般采用基于单片机的模拟式负荷分配控制器来完成 这时负荷分配控制 器采样电机的输出电流 同时检测变频器或直流调速装置的直流电压 再根据上文的负荷分配原理 进行计算调节 完成负荷分配控制 其中检测直流电压用于判断电机的运行状态 即判断是发电还 是电动状态 以便于判断采集的电机电流是电动电流还是制动电流 这种控制方法的输出可以是数 字量也可以是模拟量 其中数字量的加 减速信号可以连接到速度链控制回路 模拟量的输出可以 作为变频器的附加给定 从而依据算法和所编制的单片机程序来完成负荷分配控制 由于现场干扰较多 对采集负荷分配电机电流的影响较大 所以在很大程度上影响了控制精 度 从而也影响了整个纸机的稳定性 4 3 使用 使用 PLC 进行负荷分配控制进行负荷分配控制 在本次设计中 为了提高系统的精度 我们选用 PLC 进行负荷分配控制 压榨部的真空压榨 和压榨两部分要进行负荷分配 当整个系统起动时 为了避免出现负荷分配问题 在编程时我们加 了如下的程序 N i ei Lei Li I II I 1 速度链速度链 变频 器 变频 器0 变频 器 变频 器1 变频 器 变频 器4 负荷分配控制器负荷分配控制器 变频 器 变频 器2 变频 器 变频 器3 速度链速度链 速度链速度链 图图 3 其中 00204 00205 分别为真压 压榨起动信号 00210 为两分部的单动 联动信号 00207 00208 真压 压榨从变频器上取得的发电状态信号 00211 爬行运行状态信号 00212 频率到达信 号 当真压和压榨启动时 00204 00205 闭合 无论单动还是联动 00210 都闭合 在电机爬行运行时 00211 闭合 当压榨是发电状态时 00208 闭合 从而当爬行时只要压榨是发电状态就控制 PLC 的内 部继电器 01604 在将 01604 的信号并入主程序压榨的加速控制中 从而控制压榨加速 使压榨部 电机加速不在处于发电状态 使系统平稳 使系统完成启动过程中的负荷分配 同理 若是压榨拖 动真压则通过控制 01605 控制压榨的减速 从而解决了起动过程中的负荷问题 当系统完成起动过程而处于稳定状态时 为了避免出现负荷分配问题 设计时先从控制压榨和 真空压榨的两台变频器上取出电流 将此电流通过 CQM1 的 A D 转换器转换 再从 A D 转换器的输 出端 004 真压 005 压榨 引出分别存入 CQM1 的寄存器 D0021 和 D0022 中 再将此两数字量转化 成 BCD 码 因为 CQM1 中的数以 BCD 的码进行运算 重新放入寄存器 D0021 和 D0022 中 在控制中需 将真压或压榨的电流其中之一设为参照量进行比较 我们根据电机的特点设真压电流的 15 为参照 量 并将此值的 15 放入寄存器 D0030 中 将真压和压榨电机的电流信号 分别存入在 D0021 和 D0022 中 的差值存入 D0023 中 由于造纸机前后各部允许有一定的速度差 为了避免频繁进行速 度调节而导致速度不稳定 所以如果 D0023 中的值在 D0030 值范围之内则不进行调节 若大于或小 于 D0030 值的范围 将调节压榨的电动机的速度 避免使其一出现过电流情况 在设计时加了一个 间隔定时中断程序 来定时间隔扫描控制两电机变频器上的电流信号 根据检测的结果判断是否调 用解决负荷分配的子程序 SBN0000 再将由子程序所得的结果并入前面的主程序实现衔接即可 程序流程图如下图所示 初始化初始化 有速度调节信号有速度调节信号 取真压 压榨的电流信号取真压 压榨的电流信号 电流电流A D转化成数字量转化成数字量 电流数字量转化成电流数字量转化成BCD码码 差值与真压信号的差值与真压信号的15 比较比较 压榨大于真压吗 压榨大于真压吗 压榨加速压榨加速 end 压榨减速压榨减速 开始开始 速度调节速度调节 是 否 大于 是 否 是 否 大于 是 否 小于小于 调子程序调子程序 图图4程序流程图程序流程图 5 总结 5 总结 1 本文作者的创新点是采用 PLC 来控制纸机的速度链和负荷分配控制 在进行负荷分配控制 时 通过 PLC 的 A D模块读取负荷分配电机的电流 然后将电流值经过 BCD码转换 利用程序来 判断是否进行和如何进行负荷分配 和常用的采用模拟控制器来解决负荷分配的方法相比较 很大 程度的减小了干扰 大大增加了系统的可靠性 该系统自投入运行以来 一直运行可靠 为该企业 取得了良好的经济效益 2 负荷分配是纸机变频传动中很普遍的现象 有时会出现两台以上的电动机拖动同一负载 即 多电机负荷分配 同样可用上述解决负荷分配的原理并结合 PLC 控制来进行程序设计 对于印染 机或其他传动系统中遇到的类似纸机中的负荷分配问题也可以采用上述的控制方法 3 PLC 能够适应高温度 高粉尘 有冲击和连续振动的工作条件 不受恶劣环境的影响 这些 是