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PLC技術資料

可編程計算機控制器在紙機傳動系統中的應用

發布者：用戶投稿發布時間：2008/5/10 17:23:11

在紙機分部傳動系統中, 多臺電機的同步傳動控制（無論交流傳動還是直流傳動）問題是傳動控制系統的關鍵, 它直接影響系統的可靠性和控制精度, 影響產品的質量和產量。尤其是對于高速紙機, 由于系統動態性能要求的提高和不確定因素的增多, 使得其同步傳動控制問題變得更加復雜和困難。紙機的同步傳動控制非常復雜, 具體表現在以下幾個方面: ①系統變量多、參數多, 例如張力、速度、電流、電壓、負載等; ②交流電動機的非線性; ③負載的不確定性;④多電機間性能的不匹配; ⑤多電機之間存在耦合。因此, 如何利用先進技術和先進設備來實現紙機同步傳動控制, 獲得最大同步傳動速度, 提高紙的質量和系統運行的安全可靠性, 已成為造紙企業亟待解決的難題和研究熱點。本文選用可編程計算機控制器（PCC-Programmable Computer Controller）來組成分層遞階式交流變頻網絡控制系統, 大大節約了設計時間, 并提高了紙機傳動控制系統通信速度與質量, 穩定性高, 實時性好且易于擴展。

1、紙機傳動控制系統
傳動控制是整個紙機控制的基本回路, 其必須完成速度鏈控制、張力控制, 并需考慮負荷分配問題。以3400/ 250 牛皮白紙板機為例, 主傳動共17 個傳動點, 包含芯網驅網輥、成形輥, 襯網伏輥、成形輥,面網伏輥、成形輥, 底網真空伏輥、驅網輥, 第1 導網輥, 真空吸移輥, 真空壓榨輥, 大輥徑壓輥（ 4組） , 光壓下輥, 烘缸傳動（4 組） , 施膠輥, 壓光機下輥, 卷紙缸傳動,總傳動功率為1117kW。通過研究紙機傳動控制的特點, 選用PCC B&R 2005 組成分層遞階式網絡控制系統, 其傳動控制系統結構如圖1所示。

圖1 分層遞階式控制系統結構示意圖

PCC B&R 2005 采用模塊化結構系統, 這種結構的特點是: CPU 為獨立模塊, 輸入、輸出、電源等也是獨立模塊。要組成1 個系統, 只須將所需的模塊插入基板即可。它能通過現場總線PROFIBUS、CAN 組成控制網絡, 也可以通過以太網ETHERNET 協議組成以太網控制網絡, 組網非常方便。B&R 2005 帶有操作系統, 更多的控制任務可以通過分時多任務處理, 增強了系統的實時性；其編程可以采用高級語言, 如C、Automation Studio Basic 等, 能實現復雜算法的編程。
紙機傳動控制系統的組織級由上位工業控制計算機（IPC）來實現, 完成整個傳動控制的數據處理以及控制決策, 它與B&R 2005 通過ETHERNET 以太網接口相連。分層遞階式控制系統的協調級由B&R 2005來實現, 它與另外的負責輔助傳動控制的B&R 2005通過PROFIBUS 相連, B&R 2005 的NW150 模塊提供標準的PROFIBUS 接口。變頻器、電機以及各種傳感器執行分層遞階式控制系統的控制級任務。變頻器通過CAN 總線掛接在控制網絡中。B&R 2005 的IF671協處理器提供1個 RS232 接口、1 個RS485/ 422 接口和1 個CAN 接口。利用CAN 接口, 變頻器通過CAN總線掛接在控制網絡中。

2、速度鏈控制
根據造紙工藝要求, 紙機車速（v）和抄紙定量（q）之間存在下列關系：Δq/ q =Δv/ v （其中Δq 是定量容許公差范圍, Δv 是紙機車速容許公差范圍）。為了保證紙的定量能夠在許可公差范圍之內, 要求紙機車速穩定, 速度只能在一定的許可范圍內波動, 通常生產時, 紙機車速偏差Δv 不超過±（ 1.5 %～1 %） , 紙板機車速不超過±（1.5 %～21 %）。因此, 穩定的紙機車速能保證紙的定量穩定, 并避免斷紙及其他一些問題。紙機各個分部的線速度隨著紙的品種、抄紙速度、紙張水分含量等因素改變, 但在某一品種某一速度區, 各個分部間速度的比例基本不變, 紙機前后各分部間速度是一種比例協調關系, 如圖2 所示, 前一分部速度是后一分部速度的Ki 倍。紙機傳動還要保證能夠準確地調整各個分部的速度。

圖2 各分部速度比例分布示意圖

    紙機的速度鏈控制是整個傳動控制的基本回路。舊式紙機用1 臺定速式變速的交流電動機通過皮帶輪、減速裝置、齒輪等帶動紙機各個分部。這就是通常所說的總軸傳動方式, 現代化的紙機傳動多采用分部傳動方式, 即各個不同的分部都采用1 臺以上的電機傳動。針對17 個主傳動點, 每臺電機配備1 臺變頻器, 采用德國LENZE 公司的Lenze93 系列高性能變頻器, 通過CAN 接口卡掛接在控制系統中。而且每臺電機都帶有每轉產生1024 個脈沖的增量式光電編碼器, 以完成速度反饋控制。
    B&R 2005 通過檢測各輸入點的狀態, 判斷升速、降速、緊紙、松紙及是否微調, 并實現運行、爬行,以及單動、聯動等控制。速度設定值由上位工控機設定, 通過B&R 2005 提供的過程可視化接口（ PVI-Process Visualize Interface）進入B&R 2005 ; 現場的增速、減速等信號由數字輸入模塊DI350 進入B&R 2005 , 通過B&R 2005 的內部計算補償輸出, 由CAN 總線進入變頻器, 以達到調整變比的目的。
    在分部傳動中, 當前一分部的速度變化時, 不能影響其前面分部的速度, 只對后面分部的速度有影響。主傳動的17 個傳動點都是通過CAN 總線和B&R2005 相連, 它們組成17 個CAN 從站點, 編號從2 號一直到18 號, 其中1 號站點已經被作為CAN 主站的B&R 2005 所占用。在實現速度鏈時, 排好號的站點的速度變化只影響后面站點的速度, 這樣通過CAN總線反映到各個傳動點, 實現起來方便易行。由于使用了CAN 總線, 數據在系統中高速傳輸, 當速度給定值變化時, 實際速度響應快速跟蹤, 保證了控制的實時性。
    由于卷紙部隨著紙卷半徑的逐漸增大, 整個輥的轉動慣量也隨之變化, 此時若用普通的PID 調節器,已經很難適應參數不斷變化的需要, 所以此處選用模糊自適應控制。

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3、負荷分配
紙機的同一分部若有多個電機時還得進行負荷分配控制。例如紙機的網部真空伏輥、驅動輥、第1 導網輥和光壓上、下輥等, 各傳動點之間要求速度同步的同時還要求負載均衡, 否則會影響正常抄紙。當負荷不能均勻分布時, 有可能撕壞毛布或造成斷紙; 另外, 負荷分配不平衡可能會造成某一個或多個電機過負荷運轉, 有時速度過快的電機會拖動速度較慢的電機, 增加了電機負荷, 影響電機壽命, 甚至會燒毀電機[4] 。所以有必要在各個分部中的各自傳動點之間實施負荷自動分配控制功能。
傳動控制要求各傳動點電機負載率δ相同, 即

δ﹦Pi/ Pie （1）

其中Pi 為第i 臺電機所承擔的負載功率, P ie為第i 臺電機的額定功率。但是在實際控制系統中, 由于電機功率是間接量, 難以測量, 所以多以電機定子電流代替電機功率。其算式如下:

其中Ili為第i 臺電機的負載電流, Iei為第i 臺電機的額定電流, Il 為負載總電流。
B&R 2005 通過CAN 總線從變頻器中讀取各個傳動點電機的電流值, 其后進行計算處理, 經由CAN總線將控制變化量累加到原先的控制量上, 輸出給各個變頻器。另外, 各電機的電流通過B&R 2005 上傳給上位工控機, 通過對電流的監視, 判斷系統的運行狀況。由于公式（2）是簡單線性化的結果, 若用在高速紙機中, 需要進行補償運算處理。

4、張力控制
壓光機、卷紙機和復卷機需要進行張力控制。張力控制的需求是由造紙工藝決定的。張力過緊會造成更多的斷頭和卷紙的錐形擠出; 張力過松會導致紙張塌陷, 影響紙的質量和紙機的生產速度[5] 。張力傳感器將張力信號檢測出來送到B&R 2005 的模擬量輸入模塊AI775 , 構成張力閉環控制以保持紙張的張力恒定。AI775 能接收0/ 4～20mA 的信號, 分辨率是12位, 其接收的信號經過標度轉換和張力設定值運算后, 通過張力調節器, 并經過補償運算疊加到速度設定值輸入上, 以達到調節張力的作用。此處的張力調節器功能完全通過軟件PID 模塊實現, B&R 2005 操作系統自帶的LoopCont 庫中帶有此模塊, 只要設定比例積分和微分等時間常數并設定輸出的上下限, 濾波時間常數等就可以直接使用, 不必去編PID 控制程序。張力控制如圖3 所示。圖3 中ATR 模塊是張力調節環, 采用普通的PID 調節; ASR 是速度調節環,采用參數自調整模糊控制, 及時調整量化因子和比例因子, 達到精確調節的目的。

圖3 　張力控制功能示意圖

5、軟件編程
5．1 　PCC 軟件編程
B&R 2005 型PCC 操作系統是分時多任務操作系統, 它是系統軟件的核心, 負責管理多個任務的并行執行。PCC 提供了8 個具有不同循環時間不同優先級別的任務等級, 用戶可以根據實際需要, 為每個任務設定各自的循環時間和優先級別[6] 。本系統PCC 中共有4 個任務, 其任務等級如表1 所示。其中: 優先級最高的是任務1 , 負責完成現場數據如張力、定量等的采集; 優先級次之的是任務2 , 負責完成同步補償控制算法和

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PCC 與現場控制設備之間的通信; 優先級再次之的是任務3 , 負責完成數據顯示, 對實時性要求不高, 但運行時間較長; 等級最低的是任務4 ,負責完成通信功能, 實現PCC 與工控機、人機界面等監控設備之間的通信, 要求盡可能地快。在B&R 2005 系統中, 采用分時多任務處理, 各任務的循環執行過程如圖4 所示。

圖4 各任務的循環過程

    若本系統由普通的PLC 來實現, 各個任務都在同一個循環周期內, 由于用于顯示的任務3 占用的循環時間較多, 導致整個系統的循環時間大于任務1 所要求的循環時間, 這就難以保證任務1 數據采集的實時性。而且如果用戶有新的要求, 則需要改變整個程序。PCC 由于采用分時多任務處理, 解決了控制實時性的問題。它的各個任務可以通過軟件掛起和投入運行, 給查錯或增加新要求提供了便利, 而且可以實現復雜的順序控制。
5．2 　上位機通信編程
    上位工控機采用B&R Provit 5000 , 它可以用VB、VC及Runtime 組建功能強大、圖文豐富友好的上位人機界面; 或選用其他如組態王、開物組態軟件等常用的組態軟件, 這些軟件都帶有B&R PVI 的驅動,因此編程非常方便[6] 。采用B&R PVI （Processs Visualization Interface）通過以太網接口實現與下位主控站B&R 2005 的實時數據傳送交換; 從監控站選用PanelWare 控制面板, 用Panel Studio 進行畫面組態, 方便實現局部設備的控制操作。
    本程序的主監控界面有4 個, 包括主傳動速度鏈控制界面, 輔傳動控制界面, 實時曲線界面和報警記錄界面。主傳動速度鏈控制界面主要由17 個主傳動點的速度、電流、電壓等顯示部分和整個紙機的控制信號如爬行、運行等組成。在主傳動速度鏈控制界面中,點擊各個傳動點, 進入各傳動點的數據顯示和操作區。這部分包括: ①張力值設定和頻率實際值顯示。②頻率值設定和頻率實際值顯示; 變頻器的參數部分包括:站點號、參數值設定和參數值讀取; 控制部分包括: 啟動、停止, 正轉、反轉, 單動、聯動, 改變、禁止等。要改變變頻器參數時必須先按“改變”控制按鈕, 應用程序才允許用戶改變參數。若不想隨便改變參數和頻率, 按下“禁止”按鈕即可封鎖所有針對參數的操作。如果應用程序在進入時設置密碼管理部分, 可實現監控和管理的安全。輔傳動控制界面基本上和主傳動控制界面相似。實時曲線界面是各種實時曲線, 可以通過這些曲線監視系統的穩定性。報警記錄界面主要記錄和顯示各種報警事件, 并顯示相應的原因, 給檢修提供依據。上位工控機和下位B&R 2005 的數據交換通過PVI 接口, 其數據傳輸過程如圖5 所示。

圖5 實現變頻器在線監控過程

6、結語
分層遞階式控制系統和先進控制器PCC B&R 2005 的應用, 成功實現了紙機高精度的同步控制，達到了控制和管理的目的。這種分層遞階式控制系統結構清晰, 責任明確; B&R 2005 不僅具有系統的高速響應, 而且采用定性多任務分時操作系統, 使整個系統得到了優化, 具有較好的實時性, 易于實現; 使用現場總線網絡, 穩定性高, 數據傳輸快, 提高了控制精度。