纸机传动控制系统的设计与应用(新)

纸机传动控制系统的设计与应用
李明辉孟宪坤
（陕西科技大学机电工程学院陕西西安710021）
摘要：根据纸机的工艺结构及要求，提出了采用光纤主/从宏连接的方法，并根据偏差信号的大小选择先进的PID控制算法来调节实现对负荷分配的控制；利用二叉树数据结构算法实现速度链结构的控制，设计了基于Profibus的纸机传动控制系统。

实际运行结果表明，其控制稳定性好，可靠性高，较好地满足了对纸机控制精度和稳定性的要求。

关键字：纸机；传动控制；现场总线；变频器；PLC
中图分类号：TP273文献标识码：B
Design and A pplication of T ransmission C ontrol S ystem for P aper
M achine
Li minghui Meng xiankun
（College of Mechanical&Electrical Engineering,Shannxi University of Scince&Techology，Xi’an 710021,China）
Abstract：According to the technology structure and requirements of paper machine,Proposed approach using optical fiber master/slave macro connection，and according to the size of the error signal to choice the advanced PID control algorithm to adjust to achieve the load distribution control;used binary tree data structure algorithm to achieve speed control of chain structure,designed the drive control system of paper machine based on Profibus.The operation shows that the system is stable and reliable,it can meet the precision and stability requirement of Paper Machine。

Key words：Paper machine；Transmission Control;PROFIBUS;Inverter;PLC
0前言
现代高速纸机的运行负载基本上是一个恒转矩负载，要求在运行期间速度恒定，负荷均衡,在传动控制系统中，多台电机的同步控制是传动控制系统设计的关键，它直接影响系统的可靠性和控制精度，影响产品的质量和产量。

纸机传动系统控制的难点主要在于：①控制系统必需具有较高的稳态精度及动态性能：②控制系统内部需要交换大量的数据，如何实现数据的高速传输；③在高速运行时，负荷分配控制和速度链控制如何实现才能有效的克服控制对象的非线性和耦合性[1]。

据此，笔者根据自身相关经验并结合西安某纸厂纸机的工艺结构及要求设计了基于Profibus-DP总线的纸机传动控制系统，以上位机、plc和多传动驱动器构成三级控制系统实现顺序逻辑的控制及数据的高速传输，并采用光纤主/从宏的连接实现对负荷分配的控制，采用二叉树数据结构算法实现速度链结构的控制，确保了纸机高速稳定可靠的运行。

1纸机的工艺机构及要求
纸机是一个系统复杂的联动机械机组，其主体由有网部，压榨部，干燥部，压光机，卷纸机等部分组成，如图1所示,其工艺流程可以简要概括为：由纸机流浆箱流出的纸浆在网部脱去约80％的水分，同时纤维相互交织形成湿纸被压榨、脱水，再在烘干部烘干到含水分5-8％，然后经压光部压光，最后由卷纸机卷成成品纸[2]。

期间，由于纸张的伸缩，各分部之应有一定的速度差，通常称为速度差控制。

为了进行速度差控制，必须调整纸机各个分部辊子的线速度，即驱动电机的转速，使各个分部之间的相对速度严格地保持恒定。

保持速度差恒定所必须达到的精度为：纸机为士O.1％左右，高速大型纸机为士0.01-0.05％。

图1纸机工艺流程图
纸机对传动系统的要求为：①车速要有较高的稳定裕度，总车速提升、下降要平稳；②数字化串并联速度链调节，使各分部速度按比例协调控制并同步升、降速，速比可调、稳定；③各分部点具有速度微升、微降功能，引纸操作时的紧纸、松纸功能；④主副分部间应能实现联动工作、负荷自动平衡调节。

⑤纸机为恒转矩负载，要选择具有恒转矩控制性能的变频器，并具有较高的分辨率，良好的通讯能力，并采用PLC 作为控制单元，实现对整个控制系统的可靠、协调的控制，以满足纸机控制系统正常工作的需要。

2纸机传动控制系统结构
采用基于PROFIBUS现场总线的三级控制方案，选择西门子S7-300PLC和ABB-ACS800全数字多功能矢量控制变频器，利用PROFIBUS-DP现场总线协议通信格式实现PLC与变频器的通信功能，组成该机的控制系统，如图2所示。

图2纸机传动控制系统方框图
第一级：变频器控制级。

变频器采用ABB公司ACS800系列直接转矩控制变频器。

ACS800系列变频器的特点：将直接转矩控制技术（DTC技术）和模糊控制理论合二为一，构成高性能、低成本的变频器调速产品，并且性能大大优于矢量控制变频器。

第二级：PLC控制系统。

传动部控制中心选用S7-300PLC，CPU选用CPU315-2DP，CPU315-2DP有强大的通讯功能，可与操作屏、变频器组成PROFIBUS-DP控制网络；采用现场总线实现高速通讯，完成整个纸机传动过程中的速度链、负荷分配，使S7-300PLC与上位机、操作屏高速通讯，完成操作控制及过程数据显示。

第三级：上位计算机优化控制系统。

造纸车间计算机优化控制系统能够将整个纸机车间各控制部分联系起来，由车间管理级计算机统一管理控制。

QCS系统、DCS系统制浆系统、流送系统、热泵控制系统、和传动控制系统上位机通过工业以太网将各自部分的工作状况送往车间管理级计算机，车间管理级计算机经过分析得出各部分的最佳工作参数，使各部分处于最佳的工作状态。

3控制系统主要硬件选型
硬件选择依据系统的控制精度、通讯速度、响应时间、高性价比、高可靠性的原则,以满足系统可靠工作为前提，进行硬件设备地选择。

3.1中央控制单元PLC的选择
可编程控制器PLC作为系统的核心控制单元，其好坏往往对整个系统的性能起着至关重要的作用。

为系统选择PLC时，要考虑以下三个方面：
1．系统的性能要求，包括控制精度，运行速度，响应时间等因素。

2．系统的通讯要求，包括通讯协议接口要求、通讯处理速度要求等。

3．性能价格比。

在满足性能和通讯要求的
条件下，选择有较高性价比的产品，为系统的稳
定性、可靠性提供强有力的技术和质量保证。

综合以上因素，选择西门子S7-300PLC系列
作为系统的中央控制单元。

它采用节省空间的模
块化结构设计，可适配现有的各种机械控制任
务，不必考虑槽位规则，只需要标准的DIN导轨，
就可将模块旋转到位，安装在导轨上并由螺钉紧
固，如图3所示。

各功能模块再根据系统要求进
行配置选型。

模板上有总线插槽，各功能模块通过总线通信方式实现数据交换。

3.2变频器的选型依据和容量计算
驱动单元逆变器的选择有两种产品可供选择，一是SIEMENS公司的6SE70系列，二是ABB公司的ACS800系列。

它们都是模块化结构的组合，其中整流单元模块、电机控制板、接口板、通信板、反馈卡板、逆变器模块以及保护用的熔断器、滤波器等。

其中6SE70系列逆变器是现代矢量控制(VC)的代表，ACS800系列逆变器是现代直接转矩控制(DTC)的典型代表。

在闭环的控制方式下，其稳态性能和动态性能都可以满足该传动控制系统的要求。

只是个别的技术指标中，二者有一定的差异。

考虑用户对控制理论的认识和理解，以及品牌效应和对品牌的认同感，逆变器选用ABB-ACS800系列,它将DTC技术和模糊控制理论合二为一，能达到对电机磁链和转矩的直接、闭环的控制目的，使控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍内，无超调，具有较高的静动态性能，构成高性能、低成本的变频器调速产品，并且性能大大优于矢量控制变频器[3][4]。

各传动点变频器的容量应该从以下三个方面进行考虑：
1．根据负载容量：
P CM≥KP N/ηcosφ(1) 2．根据电机功率：
P CM≥10
K U N I N(2)
3．根据负载电流：
I CM≥KI N(3)
式中P CM为变频器容量，单位KW；P N为电机轴上输出的额定功率，单位KW；η为电机效率，一般取0.75；cosφ为电机的功率因数，一般取O.75；U N为电机的额定电流，单位V；I N为电机额定电流，单位A
；
K为波形系数，一般为1.05-1.1。

由于变频器供给电机的是脉动电流，电机在额定运行状态下，用变频器供电与用工频电网供电相比电流要大，所以选择变频器或功率要比电机功率大一个等级。

3.3人机交互单元操作屏的选择
图3S7-300PLC模块示意图
操作屏的选择依据是操作方便、可视尺寸大，储存画面的容量大。

根据使用习惯和使用效果，选用SIEMENS的10.1寸的OP277操作屏，稳定可靠[5]。

SIEMENS的OP277操作屏带有PROFIBUS-DP接口，可以直接接入DP网络中，操作屏界面设计软件PROTOOL也是SIEMENS公司开发，很方便与STEP7软件组态。

3.4上位机的选择
上位机选择原则是采用名牌，稳定的工控机，能适应较恶劣的工作环境。

因此上位机采用DELL工业控制计算机，供电采用不间断电源UPS供电。

工控机与PLC之间应用MPI协议电缆通讯。

上位机实现对下一控制级的监视、操作。

为管理者提供纸机运行状态信息。

上位机采用SIEMENS的WINCC软件设计，实现上位机对整机系统的实时监控。

3.5PROFIBUS现场总线
根据国内造纸行业控制系统使用总线协议的习惯、PROFIBUS总线的技术优势（协议统一、配置灵活、支硬件支撑），以及控制设备对总线协议的支持状况，选用德国西门子公司倡导的PROFIBUS总线协议[6]。

PROFIBUS-DP是针对变频器等电气传动控制系统动态响应快的特点而由SIMENS等13家公司组成的ISP 组织推出的现场总线。

这种形式的现场总线具有高的数据传输率，快的动态响应时间和极强的抗干扰性。

PROFIBUS-DP访问方法采用欧洲标准EN5017中规定的，带有主/从关系的令牌传送原理，只有主站能接受令牌，从站不能接受令牌，通过指定连接从站(变频器)的CBP板进行直接编址[7]。

主站为控制设备，一般是PLC 和工控机；从站为外围设备,一般是输入输出装置、阀门、驱动器和测量发送器。

为了提高现场总线系统的可靠性和抗干扰能力，在纸机电气传动控制系统中一般选用1.5Mbit/s传输速度，可以满足网络数据的传输需要，感觉不到系统响应的滞后,且整个系统的抗干扰能力是较高的。

4控制系统的软件设计
为了提高纸机控制系统的可靠性，特别是软件可靠性、智能性已成为提高控制系统可靠性的主要手段。

该系统程序采用模块化结构设计，各种功能以子程序结构适时调用实现；程序采用循环扫描方式对速度链上的传动点进行处理，提高了程序执行效率。

程序设计通用性强，并具有必要的保护功能和一定的智能性；人机界面友好、方便操作。

其主程序的流程图如图4所示。

否是
否
是
是
否
初始化
扫描按键
有加减信号
加减程序
速度链
通讯
有紧纸信号
需负荷分配
计算速比校验程序紧松纸
紧松纸图4主程序流程图
4.1负荷分配控制
图5光纤主/从宏连接
在实际控制中，电机功率是间接量，常以电机定子电流或转矩近似代替电机功率【8】。

负荷分配采样各
分部电机的转矩，计算出系统总负荷转矩，根据系统总负荷转矩计算出负载平衡时的期望值转矩，该方法需要人工编程调试，时效性较低。

主/从宏的连接是为多传动应用而设计的，其中系统由若干个ACS 800变频器驱动，同时电机轴通过齿轮、链条或传送带等相互耦合在一起。

由于这种主/从功能，负载可以均匀地分配在传动单元之间。

外部控制信号只与主机连接，主机通过一个光纤串行通讯链路来控制从机，这种
控制方式时效性较高，如图5所示。

主机是典型的速度控制，其它传动单元跟随主机的转矩或速度给定。

一般情况下：当主机和从机的电机轴通过齿轮、链条等进行刚性连接时，从机应该采用转矩控制模式，从机跟随主机的转距，以使传动单元之间不存在速度差异；当主机和从机的电机轴采用柔性连接时，从机应该采用速度控制模式，因为传动单元之间允许存在微小的速度差异。

PLC通过PROFIBUS-DP的主/从宏连接精确得到电机转矩，利用上述原理再配以先进的PID调节算法调节变频器的输出使各电机转矩电流和额定电流比值相等。

这样就完成了负荷分配的自动控制。

4.2速度链控制
依据纸机传动系统的工艺特点，速度链的控制设计采用调节变比的控制方法实现速度链功能。

这样可以构成任意分支控制速度链控制系统。

速度链结构采用二叉树数据结构算法，用于完成传递功能，如图6所示。

把纸机第一分部点作为速度链中的主节点，它的给定速度就决定整个纸机的工作车速，调节其给定速度就调节了整个纸机车速。

在PLC 内，检测到车速调节信号则改变车速单元值，1点处的速度就为第一台变频器的运行速度设定值，将其送第一台变频器执行，并送给第二台计算。

第一分部的速度值乘以第二分部的变比b1/a则为第二台变频器的给定值。

本速度链的设计不仅实现了纸机传动控制的要求，也为后续的计算机优化控制提供了可能。

在PLC内部有精确的传动变比，可设计的精度为0.001%。

精确的传动变比使上位计算机可以精确地记忆纸机传动过程参数，当需要更换品种或车速时，上位计算机可以准确地将纸机运行参数传入到PLC，由PLC执行，将纸机调整到当前最佳工作状态。

图6速度链控制算法结构示意图
为了进一步确保纸机速度的稳定，由变频器和编码器组成闭环速度控制系统，如图7所示。

首先，通过PLC给定变频器速度输出给其控制的电机，同时编码器将检测到的速度送到各自的变频器，最后通过变频器内部的调节模块进行调节后将速度输出给其控制的电机。

图7速度闭环控制
5结束语
基于现场总线的纸机传动系统的设计与应用，提高了传动系统的可靠性和控制的精度，增强了系统的抗干扰能力。

利用PROFIBUS-DP现场总线使系统各设备件具有通讯能力，形成网络系统，同时强大的软件功能可缩短工程时间，提高系统的智能化程度，实现了复杂的控制功能。

在实际中，用它对造纸系统进行改造，完成了预期的通信和控制功能，大大提高了生产效率，取得了满意的效果，值得继续在大中型纸机传动控制系统的应用中推广。

参考文献
[1]孟彦京．造纸机变频传动原理与设计[M]．西安：陕西人民出版社，2002．
[2]王忠厚．制浆造纸工艺[M]．北京：轻工业出版社，2006．
[3]张博，张根宝.基于西门子PLC系统的造纸干燥部控制系统[J]．化工自动化及仪表,2007,01:89-9
[4]ABB变频器使用说明书[z]．ABB电气传动有限公司，2004．
[5]李方园．变频控制和人机界面在纸机上的应用[J]．中国造纸，2004，23(4):29-31
[6]王慧峰，何衍庆．现场总线控制系统原理与应用[M]．北京：化学工业出版社，2006．
[7]张承慧，汪明，程金．PROFIBUS在纸机传动中的应用[J]．中国造纸，2003，22(7)：37-40
[8]西门子纸机传动设计手册[S]．西门子(中国)有限公司造纸工程部，2002．
作者简介：李明辉（1972--），男，河南信阳人，博士，陕西科技大学机电工程学院副教授，主要研究方向是智能及高级过程控制。

liminghui1972@
孟宪坤（1984-）男，硕士研究生研究方向：电气传动控制及应用。

联系方式：
孟宪坤159********Email：mengxiankun668@
通讯地址：陕西西安未央区大学城陕西科技大学865#信箱（710021）孟宪坤（收）。