造纸传动系统电气自动化及变频调速控制应用研究

黄开森

（联盛浆纸（漳州）有限公司维修部，福建 漳州 363000）

该系统研究的是全方位多学科及信息技术的相互融合，主要包括工艺特性、软硬件技术设计、理论技术、自动化及通信技术等领域。通过对传动系统的深入研究和应用，是实现造纸传动自动化及行业发展的必然趋势，也是未来的重要发展方向。

1 造纸设备与传动技术要求

1.1 工艺设备简单介绍

造纸设备主要包括原料准备、制浆、造纸、直到制成卷筒或平张成品，以及加工纸和纸板的机械等。其中造纸机纸浆形成纸幅的分部联动全套设备，包括流浆箱、网部、压榨部、烘干部、施胶机、压光机、卷取部和传动设备等主机以及汽、水、真空、润滑、热回收等辅助系统。其中形成湿纸幅的网部是造纸机的核心，所以造纸机按网部的结构又可分为长网机、夹网机、圆网机、叠网机和带有饰面辊等形式结构。

1.2 自动化控制对传动系统的要求及应用

基本要求为以下几点：（1）工作速度调节范围要求较宽且均匀，可适应不同纸种、定量的生产需要，调节范围在i=1:10。（2）具备一定的稳态和动态响应精度，其精度分别为±0.01%～0.02%，0.05%～0.1%。（3）爬行速度：为便于清洗检查网毯、以及检查各部设备运行情况，各分部应具备15～30m/min分可调的爬行速度。（4）各传动点间速比可调、稳定。为了纸机能够生产出良好的纸幅和提高纸机稳定生产效率，纸机各传动点的速度必须是可调、稳定，各分部传动点的调速范围为±8%～10%。

2 变频调速控制系统优异性及控制方式

变频调速技术在工业生产中越来越受到重视，其在机械传动系统中的应用已经成为现代工业生产的一个重要环节。相比传统的电阻调速、直流调速和电压调速，变频调速采用V/F、矢量控制(VC)、直接转矩控制(DTC)等方式，具备有高稳态精度和动态响应。

2.1 变频调速具有的特点

（1）效率高、平滑性好，启动电流小，低速时静关率高，对电网和系统无冲击，节能效果突出。（2）调速范围较宽，精度高，可实现软启动及快速制动。（3）能够扩大容量，实现高转速和高电压运行。（4）体积小及结构简单、维修方便和惯量小且耐用。（5）恒转矩调速时低段速电机的过负荷能力低。

2.2 变频系统的控制方式

纸机变频传动系统是一种转速、负载要求基本恒定的控制系统，从特性上其可分为三种基本控制方式：转矩、张力、速度，并要求调速稳定和动态响应时间短，其主要控制方式如下：（1）转矩控制是指同一张网子的传动点间、上下压榨辊间及多电机传动组间的负荷分配控制。①负荷平衡控制的本质：在传动系统中，2台或者2台以上电机，同时带动同一个负载，使得2台（或者多台）电机出力相同，即电机的输出转矩相同，最后驱动负载稳定运行的控制方法。②控制原理是利用两辊闭合信号的切入，在从动点的给定速度通道上叠加2%左右的调节量，引用主传动转矩输出作为从传动转矩限幅控制；如果两辊分离则切除从动点的转矩控制，变成闭环速度控制。③负荷平衡的机械耦合形式：刚性连接（提升机、直连），齿轮啮合（回转机构、减速机），柔性连接（皮带机、网子拖动）。（2）张力分为直接和间接张力2种控制方式，主要通过调整分部速度来调节纸幅的张力大小，根据工艺现场需求在施胶和压光前安装张力检测传感器，PLC根据张力的检测实际值做PID控制，其输出作为其后传动电机的微调速度值，从而确保纸页的张力稳定性。（3）速度控制是利用编码器信号反馈进行速度闭环控制，分为两种形式：①主速度控制是用来调节整机速度，比如，网部的驱网辊常用此方式控制；②速差控制，比如，烘缸组间，是在速度给定通道上增加一个速差给定值，通常在操作面板上进行人工操作调节。

3 浆纸变频传动应用案例分析

3.1 工艺简介

造纸浆纸的苛化及水泥厂都有石灰回转窑，回转窑中铺耐火砖，回转窑在不断地旋转，石灰石在窑炉中进行加热处理，控制回转窑旋转的电机一般为2台；若是采用一套S120控制2台电机，该方案的主从控制比较容易实现；考虑性价比本案采用2台G130变频器控制2台回转窑电机，通过齿轮实现刚性连接，电机之间作主从控制。

3.2 项目配置

回转窑2台电机配置：690V,400kW,993rpm；不带编码器；2台G130变频器分别控制两台电机，变频器为690V450KW；2台变频器之间通过CBE20，采用SINAMIC LINK进行通讯；s7-400/DCS通过Profibus进行控制。

3.2.1 驱动组态

（1）配置master、slave变频器正常组态，并对电机进行静态与动态识别，注意在调试过程中必须将联轴器脱开，确认电机的转向正确。

（2）SINAMICS LINK配置。

①SINAMICS Link的基本规则。利用安装CBE20控制板，sinamics Link 可实现多个（CU320-2 DP控制单元）间的直接数据交换，并可实现以下几种应用：一是物料线的驱动连接负荷分配；二是多个传动装置设定值的层叠；三是整流单元间的主/从控制功能；四是多个驱动装置的转矩分配。

sinamics S120及DC-master的连接以及数据的接收和发送。

惯用的节点包含带有CU连接的驱动对象(DO)和控制单元，sinamics link的报文为16个固定的过程数据空间(pzd)，每个pzd的字节长度为一个，没有需要的部分就填零表示。

图1

每个节点发送一组16个pzd的报文，可接收或发送单字/双字，一个驱动单元在每个连接的其他DO处,最多只可接收16个pzd，双字须为2个连续的pzds。当使用sinamics link通讯 时，传送时间可为3.0ms（一个周期最大0.5ms，总线周期2.0ms）。

②拓扑的结构。1)连续性编号，期间不允许有间隔。2)将不相同的节点编号录入参数P8836[0...63] 中。3)配置通讯时，特殊节点的站名称及IP地址，经过分配的编号节点被自动设置同时不可被修改。（169.254.123.001～169.254.123.064、SINAMICSxLINKx001～SINAMICSxLINKx064)。d连接CBE20时他的端口使用要求，按照n节点的Port2(P2)一直与n+1节点的Port1(P1)相连接。e同步主的通讯节点链接编号自动被分配为1。

③调试及配置过程。当调试测试时，控制单元需要进行以下设置：1)将参数设置成P8835=3(sinamics Link)；2)利用参数P8836，将节点分配的编号(第一单元分配编号为1)，节点编号是0则表示sinamics Link 被关闭；3)最后来执行掉电后的再上电。

数据发送过程：1)对每一个驱动对象，在参数P8871中，参数分配发送到其节点的槽中，对于双字的(如Pzd 2+3)被分配到连续两个传送槽，如P8871[2] =3，P8871[1] =2。2)对每个驱动对象，在参数P2051[x] 中传送的数据(Pzds)被指定，送传双字的要在P2061[x] 中指定。

接收数据过程如下：1)控制字是数据接收的第一个字，他的Bit 10要为1，如果不是则设置P2037=2不激活Bit 10的评价。2)相关Pzd节点地址被读取他定义在参数P8872[0…15] 当中(0表示不读取)。3)在参数R2050[X] 和R2060[X] 中表示数据接收被存贮值。d从报文发送中读取哪个Pzd数据并被存贮在其自已的服务槽中，用参数P8870[0…15] 来定义，R2060用于双字Pzd或R2050用于Pzd(0表示无选择的Pzd)。

读取两个Pzd针对于双字,如果读1个32Bit的设定值，那么位于节点5的Pzd 2+3要设置以下参数P8872[2] =5、P8870[2] =3、P8872[1] =5、P8870[1] =2。sinamics Link连接的激活，要对所有的节点进行掉电，之后再进行上电，如果不执行掉电再上电，则2061[X] 和P2051[X] 的分配及参数读取，参数2060[X] 和R2050[X] 的链接会被改变分配。

3.2.2 本案实际配置，主站速度模式，从站力矩模式

A.SINAMICS LINK配置

主站配置：P8835=3（SINAMICS LINK），P8836=1（主站账号）

P8839.0=2；通讯板，P8839.1=1控制单元通讯口。

P8872.0=2；P8872.1=2接收数据站点。

P8871.0=1；P8871.1=2接收数据顺序号。

P2050.0=r898；控制字状态，P2050.1=r79转矩设定值。

从站配置：P8835=3（SINAMICS LINK），P8836=2（从站账号）

P8839.0=2；通讯板，P8839.1=1 控制单元通讯口

P8872.0=1；P8872.1=1 接收数据站点

P8871.0=1；P8871.1=2 接收数据顺序号

P2050.0=r899 状态字，P2050.1=r80 转矩实际值

B.DCS中Profibus控制设置

主站配置：P0840=8890.0 IF2通讯口，P1070=8850.1 IF2通讯口

P8851.0=2089 ，P8851.1=r63.1，P8851.2=r68.1

P8851.3=r80.1，P8851.4=r82.1，P8851.5=r2131

从站配置：P0840=2090.0 （SINAMICS LINK）

P1503=2050.1 （转矩设定值），P8851.0=2089

P8851.1=r63.1，P8851.2=r68.1，P8851.3=r80.1

P8851.4=r82.1，P8851.5=r2131

P8812.0=0关闭等时同步模式

项目测试：运行变频器对速度、电流进行trace，变频器运行平稳；主从方式还可以通过TM31进行数据传输，也可以完成相应的功能；主站CU P2051.0=vector.r899，从站vector.p0840=CU 2090.2，从站P2144=1；不检测堵转。

本案采用西门子G130系列变频传动，通过S7-400系列PLC控制下，变频器驱动回转窑电机，旋转后通过减速机减速，经齿轮实现了刚性连接带动负载传动点，以Win CC监控操作软件为平台，建立了具有比较完善的自控功能，并对系统的可操作性进行了优化分析。

4 结语

本文结合传动控制案例，重点阐述了变频传动控制方式及自动化系统软件设置要求，通过系统设计优化可以很好地对传动点进行主从控制、负荷分配，同时可以对线速度以及负载电流、电压等进行有效的监控与控制，这对提高传动的自动化程度、操作的灵活性以及提高生产稳定性具有非常重要的作用。