艾默生TD3000系列變頻器及Profibus系統在造紙生產線上的應用
艾默生CT
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濟南永利泰電器設備有限公司 李景華<BR> 山東海天造紙機械有限公司 王宗海<BR> 一、概述<BR> 造紙行業以其傳動點多、同步性要求高、連續化生產的特點，與冶金行業一起被稱為自動化控制要求最高的行業。隨著電力電子技術的發展，交流傳動系統在造紙行業的應用越來越廣泛，高性能、矢量控制型變頻器的出現，使得過去需要由直流雙閉環系統實現的傳動控制，完全可以由交流傳動系統來完成。為了滿足不同類型的紙張生產和提高勞動生產率的需要，要求造紙生產線向高速化、全自動化方向發展，工業控制器（PLC）和現場總線越來越多地應用在造紙行業。這次，在淄博第二板紙廠，采用艾默生TD3000系列矢量控制型變頻器、艾默生現場總線適配器和S7-300 PLC組成的控制系統，完美地實現了整條生產線的控制，為將來艾默生變頻器在高速紙機上的應用打下了良好的基礎。<BR> 二、板紙生產線工藝簡介<BR> 該板紙機的型號為HT3000/110，是多圓網多烘缸板紙機，適用于生產用木漿、廢紙漿及其它漿料抄造定量為130-250g/m²的瓦楞原紙、掛面牛皮紙及箱板紙等品種。該型板紙生產線主要由壓榨部、烘干部、傳動部三部分組成。與之配套的設備有三輥半濕壓光機(即后面的光澤缸)、四輥壓光機及水平式圓筒卷紙機。<BR> 壓榨部的選型為一道雙毛布主壓榨、兩道正壓榨。壓榨部機架為型鋼焊接件，每條毛布圈路內配置雙縫吸水箱、張緊器、校正器、高中壓噴水管及輥子加壓和氣動加壓等裝置。紙漿通過輥子加壓和氣動加壓粘附在毛布上，紙漿通過毛布之間的擠壓和雙縫吸水箱（抽真空）對紙漿脫水后初步定形為板紙。毛布最大工作張力為4.5N/mm。<BR> 各道壓區線壓：(N/mm)<BR> 雙毯主壓 設計線壓：60 工作線壓：40<BR> 一道單毯壓榨 設計線壓：80 工作線壓：60<BR> 二道單毯壓榨 設計線壓：100 工作線壓：80<BR> 烘干部為保證烘干能力，烘缸（熱源是蒸汽）直徑為Ф1500*3350mm，配有24只，其中最后一只為冷缸，烘缸分組按6+6+6+半干壓（光澤缸）+6排列。每組缸有4只缸為主動，其余為被動，之間通過干網連接。每條干網均配有氣動校正器、電動張緊器、導輥等。烘干部傳動側機架采用三角機架封閉式齒輪傳動，操作側為型鋼焊接箱型結構，烘缸全部使用滾動軸承，稀油潤滑。通過壓榨部基本定形的板紙在烘干部被干網壓附在烘缸表面，經過前三組缸烘干，板紙的干度在80%~85%之間，之后通過光澤缸對板紙進行初級壓光，然后板紙經過第四組缸烘干，干度在90%~94%之間，此后板紙通過四輥壓光機兩次壓光成為成品板紙，最后經過水平式圓筒卷紙機將板紙成卷。<BR> 傳動部采用交流變頻分部傳動形式，分別由真空回頭輥（37KW）、一壓（75KW）、二壓（37KW）、三壓（37KW）、一組缸（22KW）、二組缸（22KW）、三組缸（22KW）、光澤缸（30KW）、四組缸（22KW）、壓光（37KW）及卷紙（15KW）等11個傳動點組成，共計363KW，每一臺交流變頻專用電機通過硬齒面齒輪減速箱直接傳動各主動輥或主動齒輪。每一傳動點配有相應的聯軸器、中間軸（包括萬向節）和基礎板。各部分設置啟動、停止、升速、降速按鈕，達到單調、統調、運行/爬行等功能，設置運行、故障指示燈，電流、速度指示儀表等。<BR> 板紙機主要技術參數：<BR> 生產品種：瓦楞原紙、掛面牛皮紙、箱板紙等<BR> 抄造定量：130-250g/m² 凈紙寬度：3000mm<BR> 網寬： 3350mm 生產能力：55-60T/d<BR> 工作車速：75-140m/min 設計車速：150m/min<BR> 主機軌距：3900mm 傳動方式：變頻調速，分部傳動<BR> 裝機容量：363KW 外型尺寸：（長*寬*高）67*10.5*6m<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/200691811103050319.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/200691811103050319.jpg" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> 三、系統設計<BR> 1、控制要求<BR> 1）、11個傳動點采用矢量控制型變頻器組成閉環系統；<BR> 2）、Profibus現場總線控制<BR> 控制的重點是保證各傳動點的線速度保持一致，尤其要保證線前兩級一壓和真空回頭輥的嚴格同步，并保證兩個電機的負荷均衡。因其工藝上的特點，要求轉矩控制快速響應和準確控制，能以很高的控制精度進行寬范圍的閉環調速運行。并且當某一傳動點因故障停機時,在不影響生產的情況下能正常啟動。<BR> 2、系統控制方案及設備選型<BR> 該控制系統的關鍵是在系統負荷變化時，如何能保證各傳動點的線速度一致。<BR> 考慮到為將來的高速紙機做技術上的鋪墊，我們選用了艾默生TD3000系列變頻器和西門子S7-315-2DP可編程控制器，通過Profibus現場總線組成整個的控制系統。可編程控制器(PLC)通過Profibus總線實時采集負荷數據，完成對各傳動點速度控制和轉矩控制的在線疊加，以實現各傳動點的自動負荷均衡，每個傳動點設有微調按鈕，必要時進行手動調整（通過程序限制手動微調的調節范圍），同時通過通訊方式讀取變頻器的輸入端子狀態，即將變頻器的控制端子作為PLC的DI端子，從而減少了PLC的數字量輸入模塊數量。TD3000系列變頻器的調速范圍是1：1000，完全能滿足控制精度的要求，并且其在10~300rpm時低于10％的轉矩脈動及電機預勵磁功能，使啟動運行平滑、無沖擊和抖動，從而能更好的承受一定的負荷變化。適配器選擇艾默生專為其變頻器應用PROFIBUS現場總線而生產的TDS-PA01，它屬于Profibus智能從站，能響應主機的查詢，并執行主機下發的控制命令。<BR> 3、系統組成<BR> 系統結構如下圖所示。<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/200691811223019357.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/200691811223019357.jpg" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> 圖1</P><P> 系統的硬件接線圖見圖2。（以真空回頭輥變頻器的接線為例）<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/200691811253165424.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/200691811253165424.jpg" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> 變頻器的功能參數設置見表1。。<BR> 11臺變頻器的參數基本相同，但略有差別，變頻器的功能參數設置見下表：<BR> 參數號 設定值<BR> F0.02 1（閉環矢量）<BR> F0.03 6（通訊給定）<BR> F0.05 2（通訊控制）<BR> F0.10 90（加速時間）<BR> F0.11 90（減速時間）<BR> F1組電機參數 根據電機分別設定<BR> F2.00 光澤缸和4組缸：2（跟蹤起動）<BR> 其它傳動點：0（從起動頻率起動）<BR> F2.09 1（自由停車）<BR> F3.00－F3.03 ASR速度調節器PI參數，在出廠參數基礎上，根據實際情況略加調整<BR> F3.07 120%<BR> F3.08 0(都未加制動單元)<BR> F5.01－F5.08 0輸出<BR> （可編程通過總線讀取每臺變頻器的端子狀態，每個端子的具體功能在可編程中定義）<BR> F5.11 1（PA－PC輸出變頻器運行中信號）<BR> F6.08 0（AO1定義為頻率輸出）<BR> F6.09 3：適用于回頭輥、一壓、二壓、三壓、一組缸（AO2定義為電流輸出）<BR> 4：適用于二組缸、三組缸、 光澤缸、四組缸、壓光機、卷紙機<BR> （AO2定義為轉矩％輸出）<BR> F6.10－F6.13 根據不同變頻器F6.09的選擇適當調整，<BR> 使顯示儀表的指示與對應參量的實際值相等。<BR> F9.00 3<BR> F9.01 0<BR> F9.02 3～13（順序分配）<BR> F9.03 4（PPO4）<BR> F9.05 PZD3連接值＝10（電機轉矩％）<BR> F9.08 PZD6連接值＝12（開關量輸入狀態）<BR> FA.02 8(復位有效)<BR> FB.00 600(脈沖編碼器每轉脈沖數)<BR> FB.01 0(PG方向)</P><P> 三、系統安裝與布線<BR> 因系統采用了PROFIBUS總線的控制方式，總線的通訊速率達45kbit/s，為避免因設備的安裝和布線造成對整個系統的影響，所以嚴格參照SIEMENS的接線標準接線，并且處理好系統的接地，以提高系統的抗干擾能力。<BR> 四、系統調試<BR> 調試的關鍵集中在真空回頭輥和一壓的啟動，因為二者之間是通過毛布軟聯接，所以當二者之間的負荷略有差別時，由于毛布的張力，就會造成嚴重的負荷不均衡，從而造成不能正常啟動，即使能夠在某一頻率下啟動，當改變運行速度或負載變化時，就會出現故障，因為一組變頻器參數不可能滿足此種軟聯接負荷變化。要解決此問題，就需要在真空回頭輥和一壓運行時實時的調整二者的運行頻率，進而實現實時的負荷均衡控制，其它各傳動點以速度鏈的方式達到同步，從而實現負荷均衡。<BR> PLC負荷均衡算法實現分兩部分：<BR> ⑴在PLC內做一個給定積分器，使其加速時間大于變頻器內部的加速時間，這樣可以隨意控制真空回頭輥和一壓的升速時間和升速步距，以保證在啟動過程和恒速時進行微調疊加的可能性。程序流程圖見圖3。<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/20069181126517089.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/20069181126517089.jpg" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A></P><P> ⑵速度控制和轉矩控制的疊加，即在保證主給定基本不變的基礎上，通過檢測負載的轉矩的變化，對主給定做適當的調整。程序流程圖見圖4。<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/200691811282885151.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/200691811282885151.jpg" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> 通過PLC算法解決了各傳動點的啟動和運行問題，但系統正常運行時，出現某一傳動點無故停機的現象。<BR> 分析原因：<BR> ⑴停機信號是由PLC的數據區紊亂，造成送出的數據恰好是停機指令；<BR> ⑵PLC的確接收到停機信號；<BR> ⑶總線因受到干擾自己產生的紊亂信號。<BR> 經過對PLC的在線實時監控，發現設備無故停機時，PLC的確是送出了停機指令，這說明PLC是接收到了停機信號，因為每個傳動點的控制信號是PLC通過Profibus總線從變頻器中讀取的，所以錯誤信號來源于變頻器的干擾。<BR> 抗干擾措施：<BR> ⑴硬件抗干擾<BR> 將原來停機按鈕的常開點改為常閉點，使停車有效信號與干擾信號反向。<BR> ⑵軟件抗干擾<BR> PLC從變頻器中連續多次讀取停機信號后方認為是真正的停機信號。程序流程圖見圖5。<BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/20069181129820398.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/20069181129820398.jpg" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> 注：通過調整狀態有效的比較次數即可調節軟件抗干擾的能力。<BR> 通過以上抗干擾措施的實施，設備無故停機的現象完全消除。<BR> 五、系統完善<BR> 1、真空回頭輥和一壓在負載變化較大時，負載電流的波動較大，動態微調的算法仍可改進。<BR> 2、當紙卷的卷徑變大時，張力增大，會造成壓光機和四組缸被拖至發電狀態，出現過壓的現象，所以PLC應實現全線控制的自動微調，今后，可在系統優化時實現。<BR> 3、現場控制信號是PLC通過PROFIBUS讀取變頻器的端子狀態來實現的，這樣減少了PLC的I/O模塊的數量，但同時也增加了整個系統對Profibus總線的依賴性及對抗干擾的要求。<BR> 六、結束語<BR> 該控制系統已成功應用于淄博第二板紙廠，設備運行正常，尤其是基本實現了全線自動負荷均衡大大降低了操作人員的勞動強度。這是TD3000系列變頻器首次應用于整條板紙生產線，并獲得成功，是艾默生變頻器在造紙行業提供成套解決方案的典型案例，也為其今后應用于高速紙機奠定了堅實的基礎。</P><P> <BR>
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