紙機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成及變頻器選擇

徐　愷

中國(guó)成達(dá)工程有限公司　成都　610041

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紙機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成及變頻器選擇

徐愷*

中國(guó)成達(dá)工程有限公司成都610041

電氣傳動(dòng)系統(tǒng)在化工、造紙、鋼鐵、煤電等工程中普遍使用，傳動(dòng)系統(tǒng)控制構(gòu)成及其變頻器的選擇對(duì)于判別或設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)起關(guān)鍵作用。本文以某造紙項(xiàng)目的傳動(dòng)系統(tǒng)為例進(jìn)行闡述，希望對(duì)涉及到傳動(dòng)系統(tǒng)的化工、造紙、煤電等項(xiàng)目能起到一定參考借鑒作用。

主傳動(dòng)系統(tǒng)變頻器選擇三級(jí)控制重載應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制

在化工、熱電站、鋼鐵、造紙等項(xiàng)目中，均有傳動(dòng)系統(tǒng)的使用，本文以某造紙項(xiàng)目采用的傳動(dòng)系統(tǒng)為例，介紹主傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成和變頻器的選擇。

該項(xiàng)目應(yīng)用ABB變頻器和西門子PLC所組成的控制網(wǎng)絡(luò)，通過ABB和西門子的相關(guān)軟件來完成紙機(jī)電氣控制傳動(dòng)系統(tǒng)。

整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件為變頻器,而對(duì)于紙機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng),變頻器的選擇不同于一般變頻器,必須考慮4個(gè)因素： 控制方式(應(yīng)為矢量或直接轉(zhuǎn)矩控制)、 荷載能力(應(yīng)為重載應(yīng)用)、 變頻器頻率分辨率、當(dāng)?shù)氐陌惭b運(yùn)行和自然環(huán)境。

其電氣主傳動(dòng)控制系統(tǒng)是基于S7-300型PLC控制的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，用于紙機(jī)的控制。主傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

圖1　主傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成

該紙機(jī)共20個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)，分別由20臺(tái)交流變頻電機(jī)單獨(dú)拖動(dòng)，每臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)由主傳動(dòng)系統(tǒng)的ABB全數(shù)字變頻調(diào)速裝置驅(qū)動(dòng)，閉環(huán)控制。系統(tǒng)的控制采用PLC作為控制核心，對(duì)驅(qū)網(wǎng)、真空壓榨等分別進(jìn)行負(fù)荷分配控制。

1　紙機(jī)電氣主傳動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1系統(tǒng)主要硬件構(gòu)成

傳動(dòng)系統(tǒng)主控單元采用S7-300型PLC控制整個(gè)系統(tǒng)。

變頻器選用ABB的ACS800系列高性能變頻器,采用DTC(直接轉(zhuǎn)矩控制)控制技術(shù)，內(nèi)置直流電抗器，最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)200%的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；其動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差,閉環(huán)時(shí)為0.05%，靜態(tài)精度為0.01%。

整流單元采用一臺(tái)ABB全橋可控整流單元供電，連續(xù)工作時(shí)。可以承受150%最大直流母線電流60s；200%最大母線電流10s。

上位機(jī)系統(tǒng)即工程師站, 具備操作員站和工程師站的所有功能。

變頻器,現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)和PLC之間采用PROFIBUS-DP總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,PLC與上位機(jī)通訊方式為以太網(wǎng)，系統(tǒng)采用多傳控制方式。

1.2系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

主程序的流程見圖2。

主控制程序采用模塊化結(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。

上位機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用SIMATIC_WinCC。PLC編程軟件采用西門子的PLCSTEP7編程軟件，觸摸屏組態(tài)軟件為ProTool.CS組態(tài)軟件。變頻器編程及參數(shù)監(jiān)控軟件采用ABB公司的ABB-Driver，可以方便地通過RS485與變頻器進(jìn)行通信并對(duì)此進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。傳動(dòng)控制軟件為基于STEP7和ABB-Driver開發(fā)的一組針對(duì)本項(xiàng)目具體控制的軟件。

圖2　主程序的流程

1.3紙機(jī)主傳動(dòng)控制體系構(gòu)成方式

紙機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)采用三級(jí)控制：采用上位計(jì)算機(jī)作為管理單元(第三級(jí)控制)、SIMATICS7-300系列控制器為控制中心(第二級(jí)控制)、ABBACS800系列工程變頻器作為調(diào)速單元(第一級(jí)控制)、SIMATICTP170(觸摸屏)作為操作單元。三級(jí)的構(gòu)成和功能如下：

第一級(jí)：采用ABB公司多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由進(jìn)線柜、整流柜、制動(dòng)柜、逆變柜構(gòu)成?？刂迫蝿?wù)為速度閉環(huán)控制、轉(zhuǎn)矩控制、電流控制、啟動(dòng)環(huán)節(jié)、工藝調(diào)節(jié)控制、電機(jī)溫度監(jiān)視等。

第二級(jí)：由PLC控制中心和觸摸屏現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)構(gòu)成?？刂迫蝿?wù)為通訊控制、速度同步控制、啟動(dòng)/停止控制、爬行/運(yùn)行控制、微升、微降控制、單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)、正動(dòng)控制、反點(diǎn)控制、力矩分配控制、張力控制及與OP的接口控制、潤(rùn)滑系統(tǒng)連鎖控制、輔機(jī)連鎖控制等。

第三級(jí)：上位機(jī)系統(tǒng)，即工程師站，具備操作員站和工程師站的所有功能，由四個(gè)軟件模塊組成：設(shè)備管理模塊、工藝管理模塊、質(zhì)量管理模塊和產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)模塊。主要任務(wù)為集中監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

第二級(jí)控制和紙機(jī)功能設(shè)定最為密切,主要功能：

(1)速度總給定：以網(wǎng)部作為該紙機(jī)的第一個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)，其速度給定作為整個(gè)紙機(jī)的總給定，其它傳動(dòng)點(diǎn)的速度都隨著該傳動(dòng)點(diǎn)的速度改變而改變，并以此為基礎(chǔ)根據(jù)紙機(jī)的工藝流程建立速度鏈。

(2)起停控制：控制各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的開停車，只對(duì)自己分部、傳動(dòng)組進(jìn)行獨(dú)立控制，不影響其它傳動(dòng)點(diǎn)。當(dāng)按停止按鈕時(shí)，設(shè)備可按自由停車，也可按給定的下降曲線停車。

(3)爬行/運(yùn)行控制：當(dāng)設(shè)備檢修、拉紙之前的烘缸預(yù)熱、網(wǎng)部壓榨部設(shè)備沖洗時(shí)，系統(tǒng)要求低速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)一切均正常后才轉(zhuǎn)到高速運(yùn)行。設(shè)置開關(guān)到爬行位置時(shí)，紙機(jī)就按爬行速度運(yùn)轉(zhuǎn)，一般為20～30m/s的速度；當(dāng)拉紙時(shí)，切換到運(yùn)行位置，紙機(jī)按給定的運(yùn)行速度運(yùn)轉(zhuǎn)。

(4)速差調(diào)整控制：根據(jù)工藝流程要求，各個(gè)分部之間需要保持一定的速差，并且生產(chǎn)不同紙種時(shí)速差也有所不同，微升、微降就是用于對(duì)各個(gè)分部的速度進(jìn)行微調(diào)速差來滿足生產(chǎn)工藝的要求。

(5)點(diǎn)動(dòng)(正向點(diǎn)動(dòng)和反向點(diǎn)動(dòng))：用于方便設(shè)備檢修、清理斷紙、套毛布或套引紙繩等情況下，都需要設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。按下點(diǎn)動(dòng)按鈕時(shí)，設(shè)備按點(diǎn)動(dòng)速度運(yùn)行，放開點(diǎn)動(dòng)按鈕時(shí)，設(shè)備停止運(yùn)行，正常啟動(dòng)狀態(tài)下禁止使用。

(6)緊急停車：主要用于處理突發(fā)事件而要求的全線停車。按下該按鈕時(shí)，先通過通訊封鎖逆變器輸出,再制動(dòng)使紙機(jī)全線停車且傳動(dòng)系統(tǒng)的總電源被切除，以保護(hù)設(shè)備和人身安全。

(7)力矩控制(負(fù)荷分配)：在紙機(jī)的網(wǎng)部、壓榨部等處通常是一主多輔的傳動(dòng)組，即一臺(tái)設(shè)備的負(fù)荷由多臺(tái)電機(jī)共同承擔(dān)，在傳動(dòng)組間，既要保證各個(gè)傳動(dòng)的速度穩(wěn)定，還得保證各個(gè)傳動(dòng)分擔(dān)的負(fù)荷要均勻。一般設(shè)立一個(gè)主傳動(dòng)，用它來控制速度，其余傳動(dòng)點(diǎn)作為輔助傳動(dòng)，對(duì)其進(jìn)行負(fù)荷控制，各傳動(dòng)之間按照一定的比例分擔(dān)負(fù)荷。

(8)點(diǎn)張/松弛：在紙機(jī)的某些開放引紙段，由于前后之間的距離較大，在引紙時(shí)可能紙掉得比較長(zhǎng)，通過點(diǎn)張功能來解決這個(gè)問題。

(9)張力控制：在紙機(jī)的某些分部，既要保證紙張有一定的張力，又不能斷紙；在本系統(tǒng)中對(duì)施膠機(jī)、壓光、卷紙機(jī)進(jìn)行了張力控制。將張力信號(hào)接入PLC，從而實(shí)現(xiàn)張力閉環(huán)控制。

(10)輔機(jī)連鎖控制：在紙機(jī)的網(wǎng)部、壓榨部、烘干部等處，具有各種輔機(jī)控制，不同的輔機(jī)要求有不同的運(yùn)行條件。為保證輔機(jī)與紙機(jī)的連鎖運(yùn)行，通常在主機(jī)傳動(dòng)部分?jǐn)U展PLC接口模塊，實(shí)現(xiàn)相互的連鎖。

2　變頻器選擇因素

2.1控制方式

對(duì)于紙機(jī),調(diào)速精度,動(dòng)態(tài)控制,對(duì)電機(jī)低速控制要求比一般設(shè)備上電機(jī)的調(diào)速要求高得多。紙機(jī)上采用最多的是矢量控制方式和直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方式的變頻器,后者的控制精度及整體性能優(yōu)于前者。

2.2荷載能力

紙機(jī)屬于恒功率負(fù)載,在低速時(shí)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載, 低速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩要足夠大，并且要有足夠的過載能力。一般而言造紙工藝要求為重載應(yīng)用選型。變頻器負(fù)載還取決于造紙機(jī)械廠的設(shè)計(jì)余量。如果余量較大，選輕載、重載應(yīng)用型逆變器或變頻器都可以；如果余量較小，就必須采用重載應(yīng)用選型。

2.3變頻器頻率分辨率

變頻器頻率分辨率包含頻率給定分辨率和頻率控制分辨率。

(1)頻率給定分辨率指變頻器的給定通道對(duì)輸入信號(hào)的分辨率，一般指模擬輸入通道AD的位數(shù)。通常紙機(jī)對(duì)傳動(dòng)調(diào)速的控制精度要求為0.1%。

(2)頻率控制分辨率指變頻器的輸出最小分辨率，即每次調(diào)速頻率的最小變化?，F(xiàn)在變頻器的最小分辨率一般為0.01Hz。

2.4對(duì)環(huán)境的適應(yīng)

除了上述因素外,還必須考慮環(huán)境對(duì)變頻器的影響。

(1)變頻器的容量及參數(shù)要考慮海拔、溫度等因素造成的降容。

(2) 變頻器的防護(hù)結(jié)構(gòu)要與其安裝環(huán)境相適應(yīng)，要考慮環(huán)境溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素。防護(hù)結(jié)構(gòu)主要有開放型、封閉型、密封型、密閉型。

(3)選擇變頻器時(shí)需要考察其電路板是否考慮過防潮措施避免停機(jī)后機(jī)內(nèi)結(jié)露。

3　變頻器的外部配置注意事項(xiàng)

(1) 紙機(jī)主傳動(dòng)電機(jī)一般不采用普通電機(jī)匹配變頻器的方式,普通電機(jī)在頻率變化的情況下處于非額定運(yùn)行狀態(tài),當(dāng)頻率下降到30Hz以下時(shí)，溫升會(huì)顯著升高,設(shè)備容易過熱。

(2)選擇合適的外部熔斷器避免因內(nèi)部短路對(duì)整流器件的損壞。

(3)連接變頻器的電纜應(yīng)根據(jù)變頻器的功率選擇導(dǎo)線截面合適的三芯或四芯屏蔽動(dòng)力電纜。從變頻器到電機(jī)之間的動(dòng)力電纜一定要選用屏蔽結(jié)構(gòu)的電纜，且要盡可能短。當(dāng)電纜長(zhǎng)度超過變頻器所允許的輸出電纜長(zhǎng)度時(shí)，要配置輸出電抗器。

(4)根據(jù)變頻器安裝場(chǎng)所的其它設(shè)備對(duì)電網(wǎng)品質(zhì)的要求，若變頻器工作時(shí)已影響到這些設(shè)備的正常運(yùn)行，應(yīng)在變頻器輸入側(cè)裝交流電抗器；當(dāng)變頻器用500V以上電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，需在輸出側(cè)配置du/dt濾波器，以抑制逆變輸出電壓尖峰和電壓的變化。

(5)傳動(dòng)系統(tǒng)變頻器緊急停車不宜采用直接跳開關(guān)切斷電源的方式,宜通過PLC經(jīng)過控制總線封鎖變頻器,制動(dòng)停車,再切斷電源。

4　結(jié)　語

傳動(dòng)系統(tǒng)和變頻器的選擇牽涉的內(nèi)容非常廣泛,本文難一一描述。只是對(duì)紙機(jī)項(xiàng)目中具體主傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成和變頻器選擇進(jìn)行介紹，希望對(duì)相關(guān)項(xiàng)目和人員提供一定的參考。

2016-05-30)

*徐愷：高級(jí)工程師。1996年畢業(yè)于華中科技大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)。從事電氣設(shè)計(jì)工作。

聯(lián)系電話：(028)65531780，E-mail：xukai@chengda.com。