基于現(xiàn)場(chǎng)總線的PLC控制變頻造紙系統(tǒng)

田海，楊青峰

0 引言

分部傳動(dòng)點(diǎn)共有24個(gè)，電路部分現(xiàn)以驅(qū)網(wǎng)輥電路圖為例加以說明。為了抑制電網(wǎng)當(dāng)中的高次諧波在本控制系統(tǒng)中加入進(jìn)線電抗器，它能夠限制電網(wǎng)電壓突變和操作過電壓引起的電流沖擊，有效地抑制諧波，改善變頻器的運(yùn)行狀況。

1 本設(shè)計(jì)紙機(jī)傳動(dòng)采用交流變頻系統(tǒng)的方案選擇

分部傳動(dòng)點(diǎn)共有24個(gè)，電路部分現(xiàn)以驅(qū)網(wǎng)輥電路圖為例加以說明。

為了抑制電網(wǎng)當(dāng)中的高次諧波在本控制系統(tǒng)中加入進(jìn)線電抗器，它能夠限制電網(wǎng)電壓突變和操作過電壓引起的電流沖擊，有效地抑制諧波，改善變頻器的運(yùn)行狀況。

圖1 驅(qū)網(wǎng)輥電路圖

2 本設(shè)計(jì)的實(shí)際控制系統(tǒng)

2控制系統(tǒng)拓?fù)?/p>

3 PLC與變頻器的通訊組態(tài)實(shí)現(xiàn)

3.1 PLC與變頻器的通訊

為了對(duì)電機(jī)進(jìn)行負(fù)載分配控制，PLC中的負(fù)載控制器要隨時(shí)從變頻器中讀取每臺(tái)電機(jī)的實(shí)際力矩、轉(zhuǎn)矩電流、編碼器反饋的轉(zhuǎn)速，同時(shí)要將總的速度給定值寫入變頻器，對(duì)電機(jī)進(jìn)行負(fù)載控制和矢量控制。因此，正確實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器之間的信息通訊是整個(gè)負(fù)載分配控制的關(guān)鍵。PLC采用了SIEMENS的S7-300系列，變頻器采用SIEI矢量變頻器，它們之間采用PROFIBUS-DP總線進(jìn)行通訊。在主站與從站之間，PROFIBUS根據(jù)令牌傳遞過程工作，即在一個(gè)邏輯環(huán)中，主站成為一個(gè)確定時(shí)間窗口的令牌保持著，在這個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)，擁有令牌的主站能夠與其他主站通訊。同時(shí)它使用一個(gè)較低的主-從過程，實(shí)現(xiàn)與從站通訊。這里采用的PROFIBUS-DP總線方式，允許在PLC和傳動(dòng)裝置之間進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)交換。對(duì)傳動(dòng)裝置的存取總是按照主-從方式進(jìn)行的，傳動(dòng)裝置總是從站，且每個(gè)從站本身都有明確的地址。

本系統(tǒng)通過SIMATIC Manager STEP7軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，在該系統(tǒng)中上位機(jī)、PLC屬于第一類主站（DPM1），主要完成總線通信控制和管理。操作屏屬于第二類主站，主要完成各站點(diǎn)的數(shù)據(jù)讀寫、系統(tǒng)配置、故障診斷等。操作屏用SIEMENS的ProTool軟件設(shè)計(jì),上位機(jī)采用SIEMENS的WINCC監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)整機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。上位機(jī)與 PLC之間采用通用 MPI電纜通訊。PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)采用RS485傳輸技術(shù)，使用專用屏蔽雙絞線。PLC與操作屏間通過數(shù)據(jù)影像實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊。主站與從站間采用循環(huán)查詢方式，完成對(duì)變頻器的讀寫操作。

3.2 PLC組態(tài)

在組態(tài)表中,STEP7自動(dòng)給每個(gè)模塊分配一個(gè)地址。PLC啟動(dòng)時(shí)，CPU將比較STEP7中創(chuàng)建的預(yù)置組態(tài)與設(shè)備的實(shí)際組態(tài)，從而可立即識(shí)別出它們之間的任何差異，并報(bào)告。

3.3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

程序模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各種功能以子程序結(jié)構(gòu)適時(shí)調(diào)用實(shí)現(xiàn)；程序采用循環(huán)掃描方式對(duì)速度鏈上的傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行處理，提高程序執(zhí)行效率；程序設(shè)計(jì)通用性強(qiáng)，并具有必要的保護(hù)功能和一定的智能性；人機(jī)界面友好、方便操作。

圖3 主程序流程圖

3.3.1 基于PLC、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)通訊控制的速度鏈

速度鏈控制由PLC內(nèi)部軟件來實(shí)現(xiàn)，用前級(jí)PLC通過PR0FIBUS通訊協(xié)議完成，如圖4適用于大型紙機(jī)，除有速度鏈功能外，尚有顯示監(jiān)控功能。

圖4 PLC控制速度鏈?zhǔn)疽鈭D

速度鏈程序流程結(jié)構(gòu)圖如圖5

圖5 速度鏈程序流程結(jié)構(gòu)圖

3.3.2 張力軟件的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用直接張力控制，利用軟件程序內(nèi)整定達(dá)到恒張力控制的目的，如圖6。張力控制模塊退出的條件為相關(guān)部位檢測(cè)到斷紙信號(hào)或手動(dòng)退出按鈕被按下。

圖6 張力控制調(diào)節(jié)程序示意圖

3.3.3 通過PLC程序來實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配功能

存在負(fù)荷分配傳動(dòng)，需采用速度、轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制，以達(dá)到負(fù)荷均衡分配的目的。從動(dòng)變頻器以支速度鏈的方式運(yùn)行，PLC檢測(cè)主動(dòng)及從動(dòng)變頻器的負(fù)載情況，并實(shí)時(shí)進(jìn)行比較運(yùn)算，做出相應(yīng) PID調(diào)節(jié)，對(duì)變頻器的輸出進(jìn)行微量調(diào)整，保證各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的出力特性按設(shè)計(jì)要求均衡穩(wěn)定（±1%），同時(shí)各傳動(dòng)點(diǎn)之間的速差得以準(zhǔn)確校正與之相匹配，從而使整機(jī)達(dá)到高速同步的精確控制；注：驅(qū)網(wǎng)輥、真空伏輥同時(shí)聯(lián)鎖啟/停和故障聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)。在負(fù)荷分配分配的所有相應(yīng)回路中采用：

（1）采用通訊速率高的通訊方式，DP通訊有足夠的時(shí)間來處理負(fù)荷分配。

（2）負(fù)荷分配原理如下：

圖7 負(fù)荷分配原理簡(jiǎn)圖

如圖7，M1為主傳動(dòng)，M2為從傳動(dòng)。M1在主速度鏈上，主要是速度環(huán)工作，M2是從傳動(dòng)，主要以電流環(huán)為主，但同時(shí)也有速度環(huán)。M1的電流輸入 M2變頻器中，作為M2電流的給定，利用AVY300變頻器的CURENT LIMTED功能，進(jìn)行轉(zhuǎn)矩電流的調(diào)節(jié)，使M2電機(jī)的電流總是按照一定的比例進(jìn)行控制，達(dá)到負(fù)荷分配的目的。

（3）負(fù)荷分配的控制設(shè)計(jì)

在紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)遇到由幾臺(tái)電機(jī)同時(shí)拖動(dòng)同一個(gè)分部的情況，如紙機(jī)壓榨部?jī)奢亯赫?，上下傳?dòng)輥都有自己的傳動(dòng)電機(jī)，通過加壓同步運(yùn)行。類似這樣的多電機(jī)傳動(dòng)，只有電機(jī)速度同步并不能滿足實(shí)際系統(tǒng)的工作要求，這時(shí)還要求各傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)負(fù)載率相同，否則會(huì)出現(xiàn)某臺(tái)電機(jī)負(fù)荷大，某臺(tái)電機(jī)負(fù)荷小的情況，會(huì)影響正常抄紙，甚至有可能撕壞毛布或造成斷紙。另外，負(fù)荷分配不平衡可能會(huì)造成某一個(gè)或多個(gè)電機(jī)過負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，有時(shí)速度較快的電機(jī)拖動(dòng)速度較慢的電機(jī)，增加了電機(jī)負(fù)荷，影響其使用壽命，所以有必要在每個(gè)分部中的各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)之間實(shí)施負(fù)荷自動(dòng)分配控制功能。

3.4 各分部的程序以驅(qū)網(wǎng)輥為例，梯形圖如圖。

3.4.1 用 SFC 14 "DPRD_DAT"讀取 DP標(biāo)準(zhǔn)從站//PROFINET IO設(shè)備的連續(xù)數(shù)據(jù)。

3.4.2 用SFC 15 "DPWR_DAT"向DP標(biāo)準(zhǔn)從站/PROFINET IO設(shè)備寫入連續(xù)數(shù)據(jù)。

需要SFC 15 "DPWR_DAT"和用SFC 14 "DPRD_DAT"的原因是使用用于訪問I/O或過程映像輸入表的傳送指令最多只能寫入四個(gè)連續(xù)字節(jié)。

3.4.3 速度鏈：

3.4.4 運(yùn)行和爬行：

3.4.5 爬行給定速度：

3.4.6 實(shí)際速度：

3.4.7 實(shí)際功率：

3.4.8 實(shí)際轉(zhuǎn)矩：

在紙機(jī)傳動(dòng)里速度鏈和負(fù)荷分配以及通訊是傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。由于紙機(jī)車速是在 350m/min和采用的PROFIBUS-DP通訊的原因，我們將負(fù)荷分配方面的內(nèi)容編寫在了程序里面。雖然在調(diào)試時(shí)遇到了很多麻煩，但最終還是達(dá)到了非常理想的效果。

[1]SIMATIC組態(tài)硬件和通訊連接 STEP7V5.3版本手冊(cè)[M](2004年1月版).

[2]SIEI.Drive矢量交流驅(qū)動(dòng)器功能參考手冊(cè). [M]

[3]AVY快速啟動(dòng)手冊(cè). [M]

[4]PROFIBUS技術(shù)和應(yīng)用手冊(cè). [M]

[5]紙機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用手冊(cè)(內(nèi)部參考資料).

[6]孟彥京.造紙機(jī)變頻傳動(dòng)原理與設(shè)計(jì). [M]西安:陜西人民出版社,2002.

[7]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng). [M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社,北京,2001.