造紙機(jī)電氣控制系統(tǒng)方案

引言

本文所設(shè)計(jì)的紙傳動(dòng)控制系統(tǒng)為應(yīng)用美國(guó)AB變頻器和西門子PLC所組成的控制網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成造紙機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的;其電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)是基于S7-300 PLC三級(jí)控制的交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。

1 、紙機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求

該造紙機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖

該紙機(jī)正常運(yùn)行對(duì)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求基本有以下幾點(diǎn)。

1.1紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)要有一定的穩(wěn)速精度和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。其中穩(wěn)態(tài)精度±0.02-- 0.01%，動(dòng)態(tài)精度0.1%-- 0.05%;

1.2工作速度要有較寬、均勻的調(diào)節(jié)范圍，適應(yīng)生產(chǎn)不同品種、定量的需要。調(diào)節(jié)范圍為I=1：10之間;

1.3各傳動(dòng)分部間速比穩(wěn)定、可調(diào)。為了使紙機(jī)可以生產(chǎn)良好的紙頁(yè)和提高紙機(jī)正常工作時(shí)間，紙機(jī)各分部的速度必須是穩(wěn)定、可調(diào)的。各分部的調(diào)速范圍為±8～10%;

1.4 爬行速度。為方便檢查、清洗聚酯網(wǎng)、壓榨毛毯、以及檢查各分部的運(yùn)行情況，各分部應(yīng)具有15～30米/分可調(diào)的爬行速度。但這樣低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，以減少無(wú)效的運(yùn)行和機(jī)械磨損;

1.5 具有剛性或柔性連接的傳動(dòng)分部間，在維持速度鏈關(guān)系基礎(chǔ)上，還須具有負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)整的功能，以免造成由于負(fù)荷動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移而引起有的分部因過(guò)載而過(guò)流，有的分部因輕載而過(guò)壓;

1.6 各分部具有微升、微降功能，必要的顯示功能，如線速度、電流、運(yùn)行、故障信號(hào)等。相關(guān)聯(lián)的分部具有單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)功能;

1.7 紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)，應(yīng)具有良好接口能力，可與QCS控制、蒸汽控制等子系統(tǒng)上聯(lián)上位工控機(jī)及工廠管理級(jí)計(jì)算機(jī);

2 、紙機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

我們的選型原則是：優(yōu)化設(shè)計(jì)，程序通用化，界面美觀化，使整個(gè)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高、魯棒性強(qiáng)。

紙機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該控制系統(tǒng)采用交流變頻分部傳動(dòng)控制，三級(jí)控制方式。第一級(jí)為驅(qū)動(dòng)級(jí)，變頻器采用AB公司系列變頻器，由閉環(huán)控制編碼器反饋板，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。第二級(jí)為PLC控制系統(tǒng)，采用西門子S7-300 PLC ， S7-300與變頻器組成Modbus總線控制網(wǎng)絡(luò)，通訊速率可達(dá)19.2Kbit/s，并完成自動(dòng)卷取及輔助部分的機(jī)電一體化功能;第三級(jí)為上位控制系統(tǒng)，采用DELL公司工控機(jī),用于紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)整個(gè)紙機(jī)自動(dòng)控制。并可通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與QCS系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、廠級(jí)管理級(jí)等聯(lián)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)紙機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化控制。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3、 紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件選型

硬件選擇依據(jù)系統(tǒng)的控制精度、通訊速度、響應(yīng)時(shí)間、高性價(jià)比、高可靠性的原則，選用SIEMENS S7 314PLC、CP340通信處理器，作為系統(tǒng)主控單元，控制整個(gè)系統(tǒng)。上位機(jī)選用采用DELL工控機(jī),配置為“PIV2.0G/21”，用于紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控。

變頻器選用Allen-Bradley公司的powerflex系列高性能矢量變頻器，它設(shè)計(jì)緊湊，節(jié)省空間，給用戶提供強(qiáng)大的電機(jī)速度控制功能，最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)150%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩;可變的PWM允許變頻器在低頻下輸出更大的電流，數(shù)字PID功能提高了應(yīng)用的靈活性，計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、基本邏輯和步序邏輯功能可以減少硬件設(shè)計(jì)成本并簡(jiǎn)化控制方案，總之，powerflex系列高性能矢量變頻器的精巧設(shè)計(jì)可較理想地滿足該機(jī)的高傳動(dòng)性能的需要。該紙機(jī)的電氣控制原理圖如圖3所示。

圖3 紙機(jī)電氣控制原理圖

3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

程序模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各種功能以子程序結(jié)構(gòu)適時(shí)調(diào)用實(shí)現(xiàn);程序采用循環(huán)掃描方式對(duì)速度鏈上的傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行處理，提高程序執(zhí)行效率;程序設(shè)計(jì)通用性強(qiáng)，并具有必要的保護(hù)功能和一定的智能性。主程序的流程如圖4示。

圖4 主程序流程圖

3.2.1速度鏈設(shè)計(jì)

(1) 速度鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。速度鏈結(jié)構(gòu)采用二叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法，先對(duì)各傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，確定速度鏈中各傳動(dòng)點(diǎn)編號(hào)，此編號(hào)應(yīng)與變頻器設(shè)定的地址一致。即任一傳動(dòng)點(diǎn)由3個(gè)數(shù)據(jù)(“父子兄”或“父子弟”)確定其在速度鏈中的位置，填入位置寄存器相應(yīng)的數(shù)值。由此可構(gòu)成滿足該機(jī)正常工作需要的速度鏈結(jié)構(gòu)。