基于SINAMICS S120的煙草薄片生產(chǎn)線多機(jī)傳動系統(tǒng)研究

摘 要：文章針對鑫源公司高品質(zhì)煙草薄片生產(chǎn)線，利用西門子新一代的驅(qū)動控制系統(tǒng)SINAMICS S120多機(jī)傳動系統(tǒng)優(yōu)化傳統(tǒng)控制方案中的負(fù)荷分配、速度同步等問題，使得傳動系統(tǒng)與工藝操作要求和實際負(fù)載特性合理銜接，保證整條生產(chǎn)線的連續(xù)穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：煙草薄片；多機(jī)傳動系統(tǒng)；SINAMICS S120

中圖分類號：TM571 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）33-0001-02

SINAMICS S120是西門子新一代的驅(qū)動控制系統(tǒng)，它是集V/F、矢量和伺服控制于一體的驅(qū)動系統(tǒng)，多軸資源共享的理念和模塊化的設(shè)計使得它能實現(xiàn)高效而又復(fù)雜的運動控制，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同類系統(tǒng)。系統(tǒng)用戶可以根據(jù)自己的應(yīng)用情況組態(tài)實現(xiàn)最佳驅(qū)動方案。不僅如此，豐富的選配件產(chǎn)品還可以靈活的滿足各種工廠的各種特有要求。在工廠中，驅(qū)動系統(tǒng)極其緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和豐富的預(yù)組態(tài)可能性可以有效地節(jié)省空間，并實現(xiàn)與安裝和現(xiàn)場調(diào)試相關(guān)的時間和成本最小化。

在中國卷煙產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略中，發(fā)展降焦減害的“中式卷煙”具有非常重要的戰(zhàn)略地位。煙草薄片的應(yīng)用將有助于優(yōu)化卷煙配方結(jié)構(gòu)、降低卷煙有害成分、促進(jìn)卷煙產(chǎn)品向低焦油、高品質(zhì)的方向發(fā)展。在傳統(tǒng)的傳動控制方案中，各分部負(fù)荷分配、速度同步、負(fù)載率均衡均不夠穩(wěn)定，在一定程度上影響正常抄紙，對產(chǎn)品品質(zhì)如產(chǎn)品定量、松厚度等有一定的影響。當(dāng)負(fù)荷不能均勻分布時，經(jīng)常引起斷紙，嚴(yán)重時甚至有可能撕壞毛毯。針對這一問題，鑫源公司運用SINAMICS S120多機(jī)傳動系統(tǒng)完成煙草薄片生產(chǎn)線傳動控制，應(yīng)用效果良好。

1 傳動控制系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)采用分布式PLC系統(tǒng)，選用S7-400中央處理單元，外掛操作面板，ET200操作子站和SINAMICS S120變頻器， ProfiBus DP通訊，最大限度消除了由于導(dǎo)線傳輸引起的延誤。整個控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

傳動系統(tǒng)為典型三級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即生產(chǎn)管理級、自動控制級和現(xiàn)場控制級。

1.1 傳動系統(tǒng)第一級為現(xiàn)場控制級

現(xiàn)場電機(jī)均由SINAMICS S120系列公共直流母線多傳動控制器控制，并配有閉環(huán)控制編碼器反饋模塊。每臺變頻器均配有DP通訊板，與PLC組成PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時高速通訊。

1.2 傳動系統(tǒng)第二級為自動控制級

S7-400與變頻器以及遠(yuǎn)程I/O組成PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)整個生產(chǎn)線的自動控制。

1.3 傳動系統(tǒng)第三級為生產(chǎn)管理級

通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線與DCS、QCS上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制，實現(xiàn)整線優(yōu)化控制。

2 SINAMICS S120多機(jī)傳動系統(tǒng)簡介

基于公共直流母線系統(tǒng)的SINAMICS S120 DC/AC多機(jī)傳動，其模塊化的結(jié)構(gòu)和特殊的性能保障了開發(fā)復(fù)雜的傳動系統(tǒng)的可能性。根據(jù)待控制的轉(zhuǎn)軸和性能需求來選擇控制單元，同時根據(jù)再生能量回饋的要求來選擇電源模塊?？刂茊卧凸β蕟卧g采用全新的通訊鏈接方式——DRIVE-CLiQ。DRIVE-CliQ應(yīng)用廣泛，可以用于連接編碼器模塊，電機(jī)模塊，伺服電機(jī)，I/O設(shè)備等，可以有效地減少線路干擾，實現(xiàn)信號的高速傳輸。

SINAMICS S120系列采用模塊化設(shè)計。所有驅(qū)動器智能組織在控制單元中?？刂茊卧獔?zhí)行變頻調(diào)速柜的所有閉環(huán)控制功能。它們還處理所有其他驅(qū)動器功能，如驅(qū)動器相關(guān)的I/O互連，配備PROFIBUS DP或PROFINET中央接口，用于連接更高級別的自動化系統(tǒng)。

SINANMICS S120系列多軸傳動系統(tǒng)主要由控制單元，電源模塊，電機(jī)模塊，編碼器模塊組成，電源模塊和電機(jī)模塊通過的DRIVE-CliQ接口連接到CU320-2控制單元。

控制單元CU320-2對所有連接的軸進(jìn)行驅(qū)動控制，并且還可在驅(qū)動裝置之間或者在軸之間實現(xiàn)技術(shù)性的邏輯互連，完成一個或多個電機(jī)模塊和電源模塊的通訊、電機(jī)的主從跟隨控制，開閉環(huán)控制功能均在控制單元內(nèi)完成。由于全部所需數(shù)據(jù)均存儲在中央控制器中，這些數(shù)據(jù)無需進(jìn)行傳輸，相比通過通訊方式進(jìn)行軸間互連的方式而言，具備更高的響應(yīng)速度和更好的組態(tài)靈活性。在一個控制器內(nèi)即可交叉軸連接，利用一個鼠標(biāo)，使用STARTER調(diào)試工具即可進(jìn)行便捷的組態(tài)。用于SINAMICS S120的DCC驅(qū)動控制圖可對驅(qū)動級的閉環(huán)過程控制、邏輯和算術(shù)功能進(jìn)行簡便的圖形化組態(tài)。支持控制回路結(jié)構(gòu)的方便圖形組態(tài)和清晰顯示，可以方便地組態(tài)SINAMICS S120驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)功能。

同時在相關(guān)塊庫中提供含有大量閉環(huán)控制、計算和邏輯模塊以及更加復(fù)雜的開環(huán)和閉環(huán)控制和功能模塊。電源模塊集中為電壓源直流鏈路提供能量。電源模塊可選擇配備經(jīng)過調(diào)節(jié)的饋電/再生反饋功能，以提供恒定的直流連接電壓和高度的供電兼容性，電機(jī)模塊從直流連接為電機(jī)供能。

3 SINAMICS S120多機(jī)傳動系統(tǒng)的控制方式

3.1 矢量控制

矢量控制是將異步電動機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量（勵磁電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。采用矢量控制不僅可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時還可以通過電機(jī)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，對交流傳動來說是一個最優(yōu)的電機(jī)控制方法，使得造紙法再造煙葉系統(tǒng)的動態(tài)變化做出快速響應(yīng)。對于穩(wěn)定車速、方便操作、減少斷紙有穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

開環(huán)動態(tài)速度控制精度可以達(dá)到閉環(huán)磁通矢量控制的精度。SINAMICS S120靜態(tài)速度控制精度為標(biāo)稱速度的0.005%，滿足了絕大多數(shù)的高精度工業(yè)應(yīng)用需求。當(dāng)要求更精確的速度調(diào)節(jié)時，可以采用電機(jī)軸頭的脈沖增量編碼器進(jìn)行速度閉環(huán)控制，得到了0.0005%的穩(wěn)速精度和0.01%Sec的動態(tài)速降。

矢量控制的完美的性能是基于被控異步電機(jī)的準(zhǔn)確參數(shù)，SINAMICS S120具備異步電機(jī)參數(shù)自動檢測，自動辨識，自適應(yīng)功能，可以在驅(qū)動被控異步電機(jī)運行前自動辨識異步電機(jī)參數(shù)，并根據(jù)自動辨識結(jié)果自動調(diào)節(jié)控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而實現(xiàn)有效的矢量控制。

3.2 主從控制

SINAMICS S120的主從控制性能在網(wǎng)部等需要多臺電機(jī)共同驅(qū)動同一負(fù)載時（例如壓榨是由真空壓榨輥和壓榨輥共同驅(qū)動的）采用了主/從控制的功能后，由真空壓榨輥電機(jī)作為主機(jī)，依據(jù)速度鏈的速度要求控制速度，壓榨輥電機(jī)作為從機(jī)跟隨主機(jī)的速度。并按比例分配轉(zhuǎn)矩，保證兩個電機(jī)負(fù)荷分配平衡。主機(jī)和從機(jī)之間由于數(shù)據(jù)都在同一個控制器內(nèi)進(jìn)行處理，從機(jī)的跟隨響應(yīng)速度為0.1 ms。主從控制的從機(jī)還可以增加速度加窗口控制功能。在從機(jī)的實際速度與主機(jī)速度給定值的偏差不大于設(shè)定值時從機(jī)為轉(zhuǎn)矩控制，跟隨主機(jī)。當(dāng)速度偏差大于設(shè)定值時，從機(jī)自動轉(zhuǎn)為速度控制，追隨速度鏈的速度給定，保證電機(jī)不會超速。

3.3 轉(zhuǎn)矩控制

SINAMICS S120的轉(zhuǎn)矩控制，由于SINAMICS S120采用了矢量控制，并且有毫秒級的速度響應(yīng)。

4 SINAMICS S120多機(jī)傳動系統(tǒng)的速度控制

4.1 加速和減速積分

SINAMICS S120提供了兩個用戶選擇的加速和減速積分?？梢哉{(diào)整加減速時間（0～1 800 s）和選擇積分類型。能夠通過控制一個數(shù)字輸入口，在兩個設(shè)定的積分時間之間進(jìn)行切換?？蛇x的積分類型是線性曲線和S形曲線。

①線性曲線：適合于電機(jī)需要恒加減速的情況。

②S形曲線：S形積分適合于在速度發(fā)生變化的起始階段和結(jié)束階段要求平穩(wěn)變速的情況。

4.2 速度降落

在煙草薄片生產(chǎn)線上有些部位在負(fù)載變化時需要軟特性，在紙產(chǎn)生拉力時，速度較高的電機(jī)出力大，電流也大。利用SINAMICS S120的速度降落特性，使電流大的電機(jī)速度降低，用來減少斷紙。

使用速度降落功能，對速度調(diào)整沒有影響，仍保持良好的特性。

4.3 速度調(diào)節(jié)器

在電機(jī)辨識過程中，SINAMICS S120速度調(diào)節(jié)器會自動調(diào)整參數(shù)。然而，也可以手動調(diào)整調(diào)節(jié)器的增益，積分時間和微分時間，滿足造紙法再造煙葉在不同分部的要求。

速度調(diào)節(jié)器具有速度軟化功能，啟動這個功能后，電機(jī)的速度可以在電機(jī)負(fù)荷加大時，按照人為設(shè)定的斜率產(chǎn)生速度降落，使用這個功能可以有效的減少斷紙。

5 應(yīng)用實例分析

在鑫源公司設(shè)計生產(chǎn)能力為2 t/h的煙草薄片生產(chǎn)線應(yīng)用中，整線傳動系統(tǒng)非常穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)上位機(jī)可以實時顯示一臺或多臺SINAMICS S120的運行曲線，如圖2所示，負(fù)荷分配和速度響應(yīng)均能根據(jù)傳動和工藝操作要求和實際負(fù)載特性進(jìn)行合理銜接，能夠完成不同工作狀態(tài)下整線車速穩(wěn)定在120 m/min，速差控制在3%以內(nèi)，產(chǎn)品定量控制在90～110 g/m2，滿足工藝操作要求。

6 結(jié) 語

通過同行業(yè)大中小型各類西門子PLC在傳動系統(tǒng)中的實踐應(yīng)用，驗證了其在工業(yè)現(xiàn)場的可靠性，靈活性以及方便易用性都具有很強(qiáng)的競爭力。SINAMICS S120從中脫穎而出，滿足了紙機(jī)穩(wěn)速精度、動態(tài)響應(yīng)、負(fù)荷分配效果、紙張定量、系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，充分滿足了生產(chǎn)需求，其優(yōu)勢得到了充分體現(xiàn)，其模塊化系統(tǒng)可勝任工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的各種驅(qū)動任務(wù)，模塊化設(shè)計，可解決要求極為苛刻的驅(qū)動任務(wù)。同時，SINAMICS S120的事件記錄器實時記錄故障發(fā)生前設(shè)定的時間內(nèi)SINAMICS S120的運行情況和發(fā)生故障后SINAMICS S120的運行情況，為生產(chǎn)過程中的維護(hù)節(jié)約了寶貴時間。SINAMICS S120多機(jī)傳動系統(tǒng)為鑫源公司高品質(zhì)煙草薄片生產(chǎn)線傳動控制提供了最佳的控制方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]西門子.SINAMICS S120驅(qū)動控制系統(tǒng)[EB/OL].http：//gongkong.ofweek.com/2012-07/ART-310001-8220-28622248.html，2012-07-06.

[2] 崔堅.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3] 廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[4] 段明亮，孟彥京.基于Profibus DP的紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)設(shè)計[D].SIEMENS

Automation Expert Meeting，Xi’An，2006.

[5] 戚志華，章白瑜.紙機(jī)傳動控制系統(tǒng)的配置與控制原理[J].輕工機(jī)械，2011，（2）.