造纸机传动控制系统说明

造纸机传动操纵系统
本文采纳森兰sb80系列变频器和西门子
s7-200 plc组成一套文化纸机传动操纵系统。

通过可编程逻辑操纵器（plc）和变频器之间的通信，操纵传动点的启动、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 纸机对电气传动操纵系统的要求
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）速差操纵，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。

现在的速差对成纸来讲，要紧阻碍纸页的克重。

误差应操纵在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能够调节的，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差不多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，导致变频器过压而爱护跳
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，并能够同时起动、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刻运行；
（6）纸机为恒转矩负载性质，要选择具有恒转矩操纵性能的变频器，并具有较高的分辨率，良好的通讯能力，并采纳plc 作为操纵单元，实现对整个操纵系统的可靠、协调的操纵，以满足纸机操纵系通正常工作的需要。

2 操纵系统组成
系统原理图如图2所示。

该纸机传动系统采纳由s7-226小型plc作为系统的操纵中心；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，从而使操纵系统稳速精度达到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、速差操纵、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。

森兰sb80系列变频器采纳ti推出的32位150mips的高速电机操纵专用dsp和自主开发的嵌入式实时软件操作系统；电机操纵理论的先进性――转子磁场定向和精确磁通观测器的闭环电流
矢量操纵；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操纵，广泛应用于恒转矩操纵、位置操纵、张力和卷绕操纵、纺织应用等领域。

3 操纵系统软件设计
操纵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 程序采纳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 采纳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 必要的软件爱护措施，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 速度链设计及速差操纵
速度链结构采纳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。

然后依照二叉树数据结构，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。

因此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。

算法设计采纳了调节变比的操纵方法。

如图五所示，纸机二压点作为速度链中的主节点，它的速度确实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，讲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操纵要求。

相当于在plc内部有一个高精度的齿轮变速箱，能够任意无级调速。

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，构成速度链及速差操纵系统。

前一级车速调整，后面跟随调整，后级调整不阻碍前级,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，阻碍正常抄纸，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操纵。

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操纵接量。

实际操纵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，依照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，假如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。

负荷分配操纵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，不阻碍其它的传动点，因此速度链结构是采纳主链与子链相结合的形式。

3.3辅助操纵的机、电、液一体化设计
辅助部分的机、电、液一体化、连锁及爱护、卷纸机自动换卷操纵、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变频器部分要紧参数设置
变频器要紧参数设置如下表所示，本表适合各系列森兰变频器，因此未列出代码，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：加减速时刻，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，因此负载不近相
同。

这就要求加减速时刻设定不同，对烘缸类大惯性负载加减速时刻要长一些，否则会导致变频器过载报警，对其他辊类负载则加减速时刻可稍短一些。

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。

本表为要紧参数，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系列变频器具有专门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、高稳态精度等操纵性能的需要。