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：BDesign and A pplication of T ransmission C ontrol S ystem for P aperM achineLi 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;PLC0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≥10K 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]。