摘要：本文應用森蘭SB80系列變頻器和西門子S7-200PLC組成的文化紙機傳動控制系統(tǒng)，通過軟、硬件設計,較好的實現(xiàn)了紙機電氣傳動控制系統(tǒng)中的負荷分配、速度鏈、張力控制等功能。這種基于S7-200PLC的全數(shù)字控制系統(tǒng)適用中、高速紙機的速度、可靠性等控制性能的需要。
關鍵詞：造紙機 森蘭變頻器 傳動系統(tǒng) 設計
keywords paper machine sen lan inverter transmission system design

引言 隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，制漿造紙業(yè)已經(jīng)成為我國工業(yè)經(jīng)濟增長的重要支柱，早期的造紙生產(chǎn)產(chǎn)量較低，對電控沒有太高要求，隨著造紙規(guī)模的擴大，對造紙機的產(chǎn)量及速度要求越來越高，從而對紙機配套電控系統(tǒng)的要求也越來越高.本文采用森蘭SB80系列變頻器和西門子S7-200 PLC組成一套文化紙機傳動控制系統(tǒng)。通過可編程邏輯控制器（PLC）和變頻器之間的通信，控制傳動點的啟動、停止、增速、減速、緊紙等操作，由軟件自動實現(xiàn)負荷分配、速度鏈等功能，充分滿足造紙工藝及電控的需要。

1 紙機對電氣傳動控制系統(tǒng)的要求

1．1 該機結構簡圖如圖1示。紙機為1760/250 m/min長網(wǎng)多缸文化紙機，生產(chǎn)40～65g/m2高級文化用紙，穩(wěn)態(tài)精度≤0.01%。

圖1 結構簡圖
1.2為了能生產(chǎn)出質(zhì)量標準較高的產(chǎn)品，紙機對電氣傳動系統(tǒng)提出如下的要求：

（1） 紙機工作速度要有較大的調(diào)節(jié)范圍，為了使造紙機具有較強的產(chǎn)品、原料的適應性（如打漿度、漿料配比與種類、定量、紙種等），紙機傳動可在較大的范圍內(nèi)均勻的調(diào)節(jié)速度，調(diào)節(jié)范圍為1:8；

（2） 車速要有較高的穩(wěn)定裕度，總車速提升、下降要平穩(wěn)。為了穩(wěn)定紙頁的定量和和質(zhì)量、減少紙幅斷頭，要求紙機穩(wěn)速精度為±0.05～0.01%；

（3） 速差控制，速比可調(diào)、穩(wěn)定。紙幅在網(wǎng)部和壓榨部時，其縱向伸長橫向收縮，而在烘干部時，兩向都收縮，因此紙機各分部的線速度稍有差異，即速差。速差在一定范圍內(nèi)變化不引起紙頁質(zhì)量的突變。此時的速差對成紙來說，主要影響紙頁的克重。誤差應控制在0.1%以內(nèi)保持紙張不被拉斷。紙機各分部的速比的最大波動值與漿料配比、定量、車速、生產(chǎn)工藝、紙頁收縮率及分部之間的紙幅無承托引段的張力等因素有關。因此，造紙機各相鄰分部間應有適當?shù)乃俨顏硇纬闪己玫募堩摗＜垯C各分部的速度必須是可以調(diào)節(jié)的，為±10～15%。利于工作時調(diào)整。為了生產(chǎn)較高質(zhì)量的紙幅和減少斷頭率，還要保持各分部間速比的穩(wěn)定；

（4） 各分部點具有速度微升、微降功能，引紙操作時的緊紙、松紙功能。具有剛性聯(lián)結或軟聯(lián)結的傳動分部，如網(wǎng)部、壓榨部、施膠部，能進行負荷動態(tài)調(diào)節(jié)。防止某點的速度發(fā)生變化而引起負荷在分部內(nèi)動態(tài)轉(zhuǎn)移，如不及時進行自動的調(diào)節(jié)（因為現(xiàn)在使用的變頻器基本上都不具備長期四象限運行能力），有的傳動點負載可能超過它自身的功率范圍引起過流發(fā)生，有的傳動點被拖動而引起過高的泵升電壓，導致變頻器過壓而保護跳閘，甚至損壞變頻器和損壞毛布。同時在這些分部中，應具有單動、聯(lián)動功能，并可以同時起動、停止。必要的顯示功能，如線速度、電流或轉(zhuǎn)矩、運行信號、故障信號等；

（5） 爬行速度。 為了檢修和清洗聚酯網(wǎng)、壓榨毛毯、干網(wǎng)以及各分部的運行工況，各分部應有15～50m/min可調(diào)的爬行速度，但不宜在此速度下長時間運行；

（6） 紙機為恒轉(zhuǎn)矩負載性質(zhì)，要選擇具有恒轉(zhuǎn)矩控制性能的變頻器，并具有較高的分辨率，良好的通訊能力，并采用PLC作為控制單元，實現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)的可靠、協(xié)調(diào)的控制，以滿足紙機控制系通正常工作的需要。

2 控制系統(tǒng)組成

系統(tǒng)原理圖如圖2所示 。該紙機傳動系統(tǒng)采用由S7-226小型PLC作為系統(tǒng)的控制中心；由功能較強大的森蘭SB80系列變頻器為驅(qū)動單元，頻率分辨率為0.01Hz以上；變頻專用電機作為執(zhí)行單元；歐姆龍編碼器提供速度反饋信號，使紙機傳動在速度閉環(huán)運行模式下，從而使控制系統(tǒng)穩(wěn)速精度達到0.01%。由PLC通過西門子MODUBUS協(xié)議、RS485網(wǎng)絡與變頻器實現(xiàn)速度鏈功能、速差控制、負荷分配功能、總車速升、降、各分部點的速度升、降及緊紙、松紙等功能，較理想地滿足紙機正常工作的需求。

圖2 系統(tǒng)原理圖
森蘭SB80系列變頻器采用TI推出的32位150MIPS的高速電機控制專用DSP和自主開發(fā)的嵌入式實時軟件操作系統(tǒng)；電機控制理論的先進性——轉(zhuǎn)子磁場定向和精確磁通觀測器的閉環(huán)電流矢量控制；整機設計的先進性——高啟動轉(zhuǎn)矩、高過載能力、高速電流限制等。森蘭SB80能滿足各種苛刻工況下的電機控制，廣泛應用于恒轉(zhuǎn)矩控制、位置控制、張力和卷繞控制、紡織應用等領域。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)的軟件設計基于以下原則：1 程序模塊化結構化設計，其中負荷分配、速度增減、初始化、緊紙、速比計算、校驗、數(shù)據(jù)發(fā)送、接收等作為子程序調(diào)用;2 程序采用循環(huán)掃描的方式對傳動點進行處理，簡化程序，提高程序執(zhí)行效率;3 采用中斷子程序進行數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收;確保數(shù)據(jù)的準確快速的傳輸;4 必要的軟件保護措施，以免造成重大機械損害。

因此該程序通用性強，可移植性好，使用不同的變頻器，只須進行相應協(xié)議的格式的定義。即數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、校驗程序的相應修改即可，滿足紙機運行的需要。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖
3.1 速度鏈設計及速差控制

速度鏈結構采用二叉樹數(shù)據(jù)結構算法，完成數(shù)據(jù)傳遞功能。首先對各傳動點位置進行數(shù)學抽象，確定速度鏈中各傳動點編號，此編號應與變頻器內(nèi)部地址一致。然后根據(jù)二叉樹數(shù)據(jù)結構，確定各結點的上下、左或右編號。即任一傳動點由3個數(shù)據(jù)（“父子兄”或“父子弟”）確定其在速度鏈中的位置，填入位置寄存器數(shù)值。如圖4所示。

該傳動點速度給變頻器后，訪問位置寄存器，確定子寄存器結點號，若不為0，則對該經(jīng)點進行相應處理，直到該鏈完全處理完；再查兄弟寄存器結點號，處理另一支鏈。所以只須對位置寄存器初始化，即可構成具有任意分支結構的速度鏈。

算法設計采用了調(diào)節(jié)變比的控制方法。如圖五所示，紙機二壓點作為速度鏈中的主節(jié)點，它的速度就是整個紙機的工作車速。在 PLC內(nèi)，我們通過通信檢測到車速調(diào)節(jié)信號則改變車速單元值，同時送給驅(qū)網(wǎng)、吸移、真壓、一壓分部，其速度值乘以相應的速比，即是該傳動點的速度運行值。若某一分部速度不滿足運行要求，說明該分部變比不合適，可通過操作該分部的加速、減速按鈕實現(xiàn)，PLC檢測到按鈕信號后調(diào)整了變比，使其適應傳動點間的速差控制要求。相當于在PLC內(nèi)部有一個高精度的齒輪變速箱，可以任意無級調(diào)速。