基于DeviceNet的纸机传动控制系统设计及应用

邢艳荣 秦佳伟

(1.乌海职业技术学院，内蒙古 乌海，016000;2.内蒙古君正能源化工股份有限公司，内蒙古 乌海，016000)

目前国内造纸行业中部分纸机生产工艺较落后、电气自动化程度不高、能耗高、故障率高、生产效率低。在纸机传动控制方面，为了提高传动控制系统自动化程度，增强系统运行的可靠性，笔者结合纸机的先进工艺和纸机传动控制系统的设计经验及调试方法，设计出基于DeviceNet通信的纸机传动控制系统，该纸机传动控制系统已在河北邢台某造纸厂和浙江金华某造纸厂的纸机传动系统中应用。经过客户回访、调查，该控制系统运行良好、能耗低、故障率低、受到广泛好评。本文对该系统进行介绍，以供参考。

1 DeviceNet简介

DeviceNet是简单、廉价、高效、适用于设备层的现场总线技术。它将可编程控制器、变频器、检测设备和执行机构等工业设备连接到网络，降低了设备硬件接线的成本。其优越的直接互连性改善了设备间的通信，提供了设备级诊断功能。DeviceNet网络最大可连接64个节点，通信波特率包括125 kbps、250 kbps和500 kbps 3种。设备可由DeviceNet总线供电(最大总电流8 A)或使用独立电源供电[1-2］。DeviceNet的特点和功能如表1所示。

2 纸机传动控制系统硬件设计

2.1 纸机传动控制系统总体设计方案

本系统以河北邢台某造纸厂工程为例，按照纸机设计方案及客户要求，纸机幅宽4600 mm，设计车速400 m/min。纸机传动点设计个数为18组，系统总体设计容量1800 kW。传动点名称及电机容量如表2所示。

表1 DeviceNet的特点和功能

经过综合对比，本纸机传动控制系统采用1769-L35E CPU作为总控制器，1769-SDN(两个)作为DeviceNet的通信模块，2711K7C4D8操作屏作为人机界面，采用PF700变频器作为各传动单元，变频器通信模块选用20-COMM-D网络适配器。PLC与传动单元之间采用DeviceNet进行通信，上位机、人机界面与PLC之间采用EtherNet/IP进行通信。使用RSLinx组态软件、RSNetworx For DeviceNet组态软件、RS5000编程软件对纸机传动控制系统进行软件通信组态设计和系统程序设计。纸机传动控制系统硬件总体设计如图1所示。

表2 传动点名称及电机容量

2.2 可编程控制器硬件接线

为了提高设备整体安全系数，监控设备总体运行情况，将影响纸机正常稳定运行的一切因素考虑在内，增加纸机连锁控制，提高自动化程度，成为本系统设计之关键。本系统可编程控制器扩展模块数字输入32点、数字输出32点、模拟输入4组 (备用)、模拟输出2组 (备用)。硬件接线设计数字量输入如图2所示。数字量输出接线如图3所示。

2.3 PF700变频器硬件接线

根据纸机传动控制系统设计方案，18组传动点变频器接线大体相同，如图4所示。

PF700变频器硬件接线包括主电机、电机风机、编码器、控制端子、DeviceNet通信等接线。PF700变频器的主电源输入来自传动系统DSU整流柜，使用DSU整流柜供电可避免触发脉冲给周围电气设备 (如整流变压器等)带来的谐波干扰，使设备正常工作[2］。

3 传动控制系统软件功能设计

3.1 控制系统硬件组态设计

图4 PF700硬件接线图

本系统人机界面、上位机和PLC之间采用EtherNet/IP进行通信;各传动单元和PLC之间采用DeviceNet进行通信。本文重点介绍DeviceNet通信硬件组态，使用RSLinx软件、RSNetworx For DeviceNet软件和RS5000编程软件进行组态设计。软件组态设计分为5个步骤。第一步:打开RSLinx软件，添加工业以太网驱动，然后通过RSLinx通信软件扫描到以太网上所带有的设备，可以清楚地看到网络是否畅通，并且可以看到每个硬件的节点及槽位，如图5所示。

图5 RSLinx扫描设备图

第二步:打开RS5000软件，新建项目，添加PLC的拓展模块，型号及槽号必须和实际硬件相匹配。将创建好的项目下载到PLC并运行，RSlogix 5000编程软件自动生成标签，如图6所示。

第三步:打开RSWorx for DeviceNet软件，点击online按钮，选择通信路径。选中DeviceNet网络并运行，组态软件便会自动扫描所有接入DeviceNet网络的硬件设备，如图7所示。

第四步:双击扫描出的硬件图标弹出对话框，选择Module选项，上载网络并建立PF700变频器EDS文件[2］。等上载完成后，在参数列表中进行所需的更改并保存，如图8所示。

图6 RS5000软件硬件组态图

图7 DeviceNet网络硬件设备扫描图

图8 DeviceNet设备对话框

第五步:将组态程序下载，并将1769-SDN置于RUN状态。通过RS5000软件通过查看标签，验证通信是否正常，如图9所示。

图9 硬件组态创建标签图

3.2 控制系统传动点速度链设计

为了设计精度高、稳定性好、操作方便的数字式控制系统速度链，必须研究速度链的控制原理。两个相邻传动点的运行速度应保持一定的比例，在车速调整过程中，只影响本传动点和后面的传动点，而不影响前面各传动点的速度，每个传动点在前一级传动点速度基础上进行调整并将速度给定信号传送给下级传动点，形成一个链式结构，称为速度链。根据纸机传动控制要求，传动控制速度链精度应在0.01% ～0.04%之间，这与纸幅的伸缩率有关 。本系统速度链结构设计采用二叉树数据结构法，完成速度链传递功能。首先对各传动点控制工艺进行分析，确定传动点在速度链中的具体位置和作用，然后对设计好的速度链中的传动点进行通信地址设置，并准确记录地址号码[3-4］。本系统进过现场工艺情况分析，速度链设计如图10所示。

此系统中驱网辊作为速度链中的主传动节点，它的速度是整个传动控制系统的工作车速，在控制系统的人机界面，改变驱网辊的运行车速给定值，就调节了整个纸机车速。驱网辊的速度给定值传送给它的两个从点真空伏辊、导网辊和下一分部主点一压下辊。从点真空伏辊和导网辊根据现场工艺情况，在人机界面通过速度微升微降调节，达到从点速度调节的目的。下一分部主点一压下辊得到驱网辊的速度值，也通过人机界面进行速度调节，得到一压下辊的速度给定值。一压下辊将速度给定值传送到自己的两个从点:一压上辊、真空吸移辊和下一分部主点二压下辊。一压上辊和真空吸移辊通过人机界面速度微升微降进行调节，达到从点速度调节的目的[3-4］。就这样依次类推，实现了整个速度链的速度给定和调节，构成了速度链控制系统，其调节原理如图11所示。

3.3 主从传动点负荷分配设计

图12 负荷分配控制原理

表3 变频器部分参数

在纸机运行过程中，有几台电机同时拖动同一负载的现象，如网部真空伏辊、驱网辊、导网辊同时拖动一条成形网。这样的传动系统如果只要求速度完全同步并不能满足工艺要求，各传动点电机必须出力相同，否则会出现传动点电机负载不一，甚至电动机成为发电机的情况，影响正常抄纸，甚至有可能撕坏毛布或造成断纸[5］。针对此问题，必须设计传动点主点和从点负荷分配。纸机传动控制系统的负荷分配要求系统速度稳定、分配平衡、稳定无振荡、能够随时适应负载变化。本系统采用PLC+变频器二级传动控制方式，PLC与变频器通过DeviceNet网络通信，交换数据。负荷分配的设计原则是主点和从点电机的负载率相同，即δ=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。PLC通过通信读取主点和从点变频器的实际转矩反馈值，将实际转矩反馈值进行比较，计算出从点的速度给定值，再通过DeviceNet通信将从点速度给定值传送到各从点变频器，以加大或减小从点电机的转差率，从而调节电机的转矩，使形成负荷分配的主点和从点转矩相同，达到负荷分配的目的，此设计方法控制精度高，工作可靠。负荷分配控制原理如图12所示。

3.4 PF700变频器参数设置说明

各传动点的PF700变频器参数设置基本一致，主要实现速度控制或转矩限幅控制，通过DeviceNet进行通信，达到精确控制电机的目的。以驱网辊为例，变频器的部分参数设置如表3所示。

4 结语

基于DeviceNet通信方式的纸机传动控制系统，通信响应速度快，运行稳定可靠;通过硬件设计和软件编程实现了纸机连锁控制，大大提高了传动控制的自动化程度;科学合理的速度链设计和负荷分配设计，使系统在运行中速度稳定、负载分配合理、很大程度上减少断纸。此控制系统完全符合现代纸机自动化的设计要求，在工程运行中，客户反映良好。

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