The application of sen lan inverter in the Electrical transmission system of paper machine
陈景文
Chen jingwen
（陕西科技大学 咸阳712081）
Shanxi university of science & technology (shanxi xianyang 712081)
摘要 本文应用森兰SB80系列变频器和西门子S7-200PLC组成的文化纸机传动控制系统，通过软、硬件设计,较好的实现了纸机电气传动控制系统中的负荷分配、速度链、张力控制等功能。这种基于S7-200PLC的全数字控制系统适用中、高速纸机的速度、可靠性等控制性能的需要。
abstract The paper applies sen lan SB80 series inverters and Simens the S7-200PLC composition cultural paper engine drive control system, through is soft, the hardware design, Good realization paper machine electricity transmission function and so on in control system load assignment, speed chain, tensity control. This kind of based on the S7-200PLC entire numerical control system is suitable of middle, high speed paper machine,s speed, reliability control performance and so on the need.
关键词 造纸机 森兰变频器 传动系统 设计
.keywords paper machine sen lan inverter transmission system design
引言 随着我国经济的发展，制浆造纸业已经成为我国工业经济增长的重要支柱，早期的造纸生产产量较低，对电控没有太高要求，随着造纸规模的扩大，对造纸机的产量及速度要求越来越高，从而对纸机配套电控系统的要求也越来越高。
本文采用森兰SB80系列变频器和西门子S7-200 PLC组成一套文化纸机传动控制系统。通过可编程逻辑控制器（PLC）和变频器之间的通信，控制传动点的启动、停止、增速、减速、紧纸等操作，由软件自动实现负荷分配、速度链等功能，充分满足造纸工艺及电控的需要。
1 纸机对电气传动控制系统的要求
1．1 该机结构简图如图1示。纸机为1760/250 m/min长网多缸文化纸机，生产40~65g/m2高级文化用纸，稳态精度≤0.01%。
图1 结构简图
1.2为了能生产出质量标准较高的产品，纸机对电气传动系统提出如下的要求：
（1） 纸机工作速度要有较大的调节范围，为了使造纸机具有较强的产品、原料的适应性（如打浆度、浆料配比与种类、定量、纸种等），纸机传动可在较大的范围内均匀的调节速度，调节范围为1:8；
（2） 车速要有较高的稳定裕度，总车速提升、下降要平稳。为了稳定纸页的定量和和质量、减少纸幅断头，要求纸机稳速精度为±0.05～0.01%；
（3） 速差控制，速比可调、稳定。纸幅在网部和压榨部时，其纵向伸长横向收缩，而在烘干部时，两向都收缩，因此纸机各分部的线速度稍有差异，即速差。速差在一定范围内变化不引起纸页质量的突变。此时的速差对成纸来说，主要影响纸页的克重。误差应控制在0.1%以内保持纸张不被拉断。纸机各分部的速比的最大波动值与浆料配比、定量、车速、生产工艺、纸页收缩率及分部之间的纸幅无承托引段的张力等因素有关。因此，造纸机各相邻分部间应有适当的速差来形成良好的纸页。纸机各分部的速度必须是可以调节的，为±10~15%。利于工作时调整。为了生产较高质量的纸幅和减少断头率，还要保持各分部间速比的稳定；
（4） 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。具有刚性联结或软联结的传动分部，如网部、压榨部、施胶部，能进行负荷动态调节。防止某点的速度发生变化而引起负荷在分部内动态转移，如不及时进行自动的调节（因为现在使用的变频器基本上都不具备长期四象限运行能力），有的传动点负载可能超过它自身的功率范围引起过流发生，有的传动点被拖动而引起过高的泵升电压，导致变频器过压而保护跳闸，甚至损坏变频器和损坏毛布。同时在这些分部中，应具有单动、联动功能，并可以同时起动、停止。必要的显示功能，如线速度、电流或转矩、运行信号、故障信号等；
（5） 爬行速度。 为了检修和清洗聚酯网、压榨毛毯、干网以及各分部的运行工况，各分部应有15～50m/min可调的爬行速度，但不宜在此速度下长时间运行；
（6） 纸机为恒转矩负载性质，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，以满足纸机控制系通正常工作的需要。
2 控制系统组成
系统原理图如图2所示 。该纸机传动系统采用由S7-226小型PLC作为系统的控制中心；由功能较强大的森兰SB80系列变频器为驱动单元，频率分辨率为0.01Hz以上；变频专用电机作为执行单元；欧姆龙编码器提供速度反馈信号，使纸机传动在速度闭环运行模式下，从而使控制系统稳速精度达到0.01%。由PLC通过西门子MODUBUS协议、RS485网络与变频器实现速度链功能、速差控制、负荷分配功能、总车速升、降、各分部点的速度升、降及紧纸、松纸等功能，较理想地满足纸机正常工作的需求。
图2系统原理图
森兰SB80系列变频器采用TI推出的32位150MIPS的高速电机控制专用DSP和自主开发的嵌入式实时软件操作系统；电机控制理论的先进性——转子磁场定向和精确磁通观测器的闭环电流矢量控制；整机设计的先进性——高启动转矩、高过载能力、高速电流限制等。森兰SB80能满足各种苛刻工况下的电机控制，广泛应用于恒转矩控制、位置控制、张力和卷绕控制、纺织应用等领域。
3 控制系统软件设计
控制系统的软件设计基于以下原则：1 程序模块化结构化设计，其中负荷分配、速度增减、初始化、紧纸、速比计算、校验、数据发送、接收等作为子程序调用;2 程序采用循环扫描的方式对传动点进行处理，简化程序，提高程序执行效率;3 采用中断子程序进行数据的发送、接收;确保数据的准确快速的传输;4 必要的软件保护措施，以免造成重大机械损害。
因此该程序通用性强，可移植性好，使用不同的变频器，只须进行相应协议的格式的定义。即数据发送、接收、校验程序的相应修改即可，满足纸机运行的需要。主程序流程图如图3所示
图3主程序流程图
3.1 速度链设计及速差控制
速度链结构采用二叉树数据结构算法，完成数据传递功能。首先对各传动点位置进行数学抽象，确定速度链中各传动点编号，此编号应与变频器内部地址一致。然后根据二叉树数据结构，确定各结点的上下、左或右编号。即任一传动点由3个数据（“父子兄”或“父子弟”）确定其在速度链中的位置，填入位置寄存器数值。如图4所示。
图4 位置寄存器示意图
该传动点速度给变频器后，访问位置寄存器，确定子寄存器结点号，若不为0，则对该经点进行相应处理，直到该链完全处理完；再查兄弟寄存器结点号，处理另一支链。所以只须对位置寄存器初始化，即可构成具有任意分支结构的速度链。
算法设计采用了调节变比的控制方法。如图五所示，纸机二压点作为速度链中的主节点，它的速度就是整个纸机的工作车速。在 PLC内，我们通过通信检测到车速调节信号则改变车速单元值，同时送给驱网、吸移、真压、一压分部，其速度值乘以相应的速比，即是该传动点的速度运行值。若某一分部速度不满足运行要求，说明该分部变比不合适，可通过操作该分部的加速、减速按钮实现，PLC检测到按钮信号后调整了变比，使其适应传动点间的速差控制要求。相当于在PLC内部有一个高精度的齿轮变速箱，可以任意无级调速。
若正常生产中变比合适，需要紧纸、松纸操作时，按下该分部紧纸、松纸按钮，PLC将对应在速度链上附加一正或负的偏移量则实现紧纸、松纸功能。同时送下一级计算，依此类推，构成速度链及速差控制系统。前一级车速调整，后面跟随调整，后级调整不影响前级,适应纸机操作引纸的顺序要求。
速度链的传递关系由图5来体现，由PLC软件实现。
图5 纸机速度链结构图
3.2 负荷分配设计
该纸机传动结构上有柔性联结的传动点，烘缸部和压榨部。它们之间不仅要求速度同步还需要负载率均衡，否则会造成一个传动点由于过载而过流，而另一传动点则由于被带动而过压，影响正常抄纸，甚至可能撕坏毛布，损坏变频器、机械设备。因此这两个传动部分的传动点之间需要负荷分配自动控制。
负荷分配工作原理：假设P1e、P2e为两台电机额定功率，Pe为额定总负载功率，Pe= P1e+P2e 。P为实际总负载功率，P1、P2为电机实际负载功率，则P= P1+ P2。系统工作要求 P1=P*P1e/Pe ，P2=P*P2e/Pe，两个值相差≤3%。
由于电机功率是一间控制接量。实际控制以电机定子转矩代替电机功率进行计算。
PLC采样各分部电机的转矩，计算每一组的总负荷转矩，根据总负荷转矩计算负载平衡时的期望转矩值。计算平均负荷转矩方法如下公式所示。
M=
其中： ML1 、ML2 是压榨、烘缸电机实际输出转矩；
Pe1 、Pe2 是压榨、烘缸台电机额定功率；
M 为负荷平均期望转矩
PLC通过Modbus总线得到电机转矩，利用上述原理再施以PID算法，调节变频器的输出，使两电机转矩百分比一致。即完成负荷自动分配的目标。
设置最大限幅值，如果负荷偏差超过该设定值，要停机处理，以防机械、电气损害发生。负荷分配控制实现的前提是合理的速度链结构，使负荷分配的传动点组处于子链结构上，该部负荷调整时，不影响其它的传动点，因此速度链结构是采用主链与子链相结合的形式。
3.3辅助控制的机、电、液一体化设计
辅助部分的机、电、液一体化、连锁及保护、卷纸机自动换卷控制、稀油站润滑系统等辅助电气系统协调工作，以保证系统正常运行和设备安全。
4变频器部分主要参数设置
变频器主要参数设置如下表所示，本表适合各系列森兰变频器，所以未列出代码，实际只需找到相应功能设置好即可：
对表中部分参数注释如下：加减速时间，在造纸机传动系统中，由于传动点数目较多，即变频器数量较多，所以负载不近相同。这就要求加减速时间设定不同，对烘缸类大惯性负载加减速时间要长一些，否则会导致变频器过载报警，对其他辊类负载则加减速时间可稍短一些。通讯参数中地址设定一般从一侧设置至另一侧，即由1至最后。本表为主要参数，还有一些其他参数需据现场情况作相应改动，本文不一一复述。
4 结 语
造纸机传动系统各个传动点既要保持一定的速度一致性，又要有一定的速差。同时具有机械相联系的传动点又要有负荷平衡即负荷分配功能。森兰SB80系列变频器具有很高的可靠性和和完善的功能实现，通过丰富的参数组态与PLC通过MODUBUS协议通讯、协调工作可满足中、高速造纸机对传动系统要求大速比变化、高稳态精度等控制性能的需要。
参考文献:
[1] SIEMENS STEP7 V5.1 编程手册 西门子股份有限公司 1998
[2] 王丹利 赵景辉 可编程序控制器原理与应用 西北工业大学出版社 西安 1997.6
[3] 森兰SB80 使用手册
