造纸机的变频调速方案及实施论文29969.doc

31 造纸机的变频调速方案及实施 一.引言造纸机是由一系列配套设备组成的联合机，分湿部和干部两大部分。湿部包括上浆流送系统、网部和压榨等部分，干部包括烘干、压光和卷取等部分。其生产流程一般是:浆料通过上浆流送系统传送到纸机生产流水线的前端流浆箱，然后浆流由此依次通过网部、压榨、前烘缸、后压榨、后烘缸、压光机和卷纸机等在内的分部设备，成为原纸;原纸又可以另外进入机外涂布和复卷机产出成品纸。造纸是一个连续生产的过程，因此生产线的连续和有序控制成为了制约成品纸质量和产量的瓶颈。变频调速作为90年代中期后最强有力的控制方式进入了原本属于直流调速(适用于大中纸机)和滑差电机(适用于中小纸机)天下的造纸领域，并已近取得良好的市场效果。交流变频调速技术以其卓越的调速性能、显著的节电以及在国民经济领域的广泛适用性，而被公认为是一种最有前途的交流调速方式。直流调速系统在纸机的发展史上占有重要的地位，但由于直流电机存在维护难、抗环境能力差等原因，到了90年代已严重制约了造纸整机的性能价格比。而变频调速技术能最大程度上发挥了交流电机本身固有的优点(结构简单、坚固耐用、经济可靠、动态响应好等)，再加上变频调速理论业已形成一门相对独立的学科，变频调速技术全面应用于纸机生产线的时代已经到来了。本文就变频调速及其控制技术在纸机生产线上的应用做进一步的阐述。 二.造纸机的介绍（1）造纸机的概念造纸机纸张抄造的联合装备。主要由网、压榨和干燥等部构成。网部分圆网和长网两种。压榨部由压榨辊和造纸毛布等组成。干燥部由一个或几个烘缸组成。某些长网机还装备机械压光机，以提高纸的平滑度和紧度等。造纸机的类型很多，如制造单面光纸张的单烘缸纸机（又称杨克式纸机）、制造一般纸张的长网多烘缸纸机、制造打字纸和卷烟纸等的薄页纸机、制造纸板的纸板机等。（2）造纸机的简介将符合造纸要求的纸浆水悬浮体经滤网脱水成形、机械挤压脱水和干燥等过程而抄制成纸的机器。造纸机包括完成以上工艺过程的成形、压榨、烘干 3个主要部分,并配有必要的整饰、卷取及传动装置,以及供浆、浆料及白水循环、真空、通风排气、损纸处理和润滑、自控等辅助系统。造纸机的规格常以其所抄造的成纸幅宽（简称抄宽）、铜网幅宽和优选的工作车速来表示。现代大型造纸机的抄宽可达11m，工作车速达1000m/min以上,日产纸量达数百吨,整台机械的重量达千吨以上，长达百余米。在一般发展中国家以及一些特种纸的生产中使用较多的为小型造纸机,其抄宽13m，工作车速每分钟几十米至200米。一台造纸机完整结构如图1所示。图1 造纸机结构图（3）造纸机的发展历史 1798年法国人n.l.罗伯尔首次提出造纸机的构思,并取得政府的专利权,但他并未制成机器。英国人s.&h.福德里尼尔兄弟购得这项专利权后,交由b.唐金改进设计并试制，1803年成功地制作出第一台能抄纸的长网造纸机，又称福德里尼尔纸机。圆网成形器是英国人j.迪金森于1809年发明的。1820年t.b.克兰普顿首先用火加热铁板圆筒烘纸，直到1872年杰克逊发明了用虹吸管排除冷凝水的蒸汽加热烘缸。1828年寒丁发明了压辊。1863年贺立欧克 (holyoke)纸厂发明了五辊超级压光机。前后用了近百年的时间逐步完善了圆网和长网纸机的机型。现代所有造纸机基本上属于这两个机型的范畴。 (4)造纸机的基本分类 习惯上按所采用的纸页成形器类型将纸机分成长网、圆网、夹网及长圆网混合等机型；也有依其主要产品品种而分成新闻纸机、文化用纸纸机、电容器纸纸机；或按产纸厚薄分为薄型纸机、纸板机和常规纸机。(5)造纸机的基本结构根据抄造工艺的需要,纸机结构形式多样,一般均由流送、成形、压榨、烘干、整饰、卷取及传动等部件和辅助系统等配套设备组成。 1)成型部 由流浆箱、胸辊、成形网、吸水箱及伏辊等组成。流浆箱布浆器将流送系统送来的成浆均匀地喷送到成形网上，浆速与网速应相匹配。控制浆速与网速是选用流浆箱箱型的主要因素。全封闭水力式流浆箱是以调节冲浆泵的送浆压力来调整浆速，适用于高速纸机；气垫式流浆箱是以调节气垫压力来调速，而开敞式高位流浆箱则以调整箱内浆位高度来调速，适用于中速纸机；开敞式隔仓流浆箱则适用于低速纸机。成形网为无端环状网，在胸辊与伏辊之间，形成一个水平的或略带倾斜度的平直网面，作为纸浆脱水的工作段，习惯称它为网案,因而称为长网。若将无端成形网置于圆形网笼上,成为弧形的脱水成形的工作段，称为圆网。若用钻有孔眼的钢制网鼓,从轴端抽吸真空,以加速成形网网面上的纸浆脱水则称为真空圆网或真空成形网。若纸浆是在两张长网相夹持下，两网同时进行脱水成形则称为夹网成形器(图2 )。这些成形器采用了不同形式的脱水元件，使网上的纸浆加速脱水。元件分有静止、转动和两者兼用等 3类。静止元件如脱水板、弧面真空箱等，转动元件如案辊、真空成形辊等。除用单一形式成形器组成长网纸机、圆网纸机、夹网纸机外，还有用多长网、多圆网、多夹网和多种形式长圆网混合式成形器组合的成形部。 2)压榨部 对成形后的湿纸页以加压的方式进一步脱水。它由辊面硬和软的两个辊子，如石辊和胶辊相配组成一组压榨。压榨部由同形式或不同形式的压榨组组成，其中在习惯上还包括真空吸移装置。压榨时，以适当规格的毛布承托纸页，它可以匀布加压压力并带走部分被压榨挤压出来的水分，并可增强加压的压力，提高压榨脱水能力。低速纸机多采用2060kn/m的线压力，高速纸机采用高达210kn/m线压力,当采用高冲量压榨时，如湿抄机压榨可高达350kn/m线压力;将包胶辊制成真空压辊、沟纹压辊、衬网压辊、盲孔压辊等，以更有效地将压榨水带离压区，这些都是50年代以来采用提高压榨脱水效率的新技术。之后又采用复式压榨结构形成封闭引纸。它由二组或三组压榨合并组成，由真空吸移辊将湿纸从成形网上剥离，用毛布承托送入复合压榨，以后纸页在各压辊间传递，从而消除了过去纸页在压榨之间受着自重等因素的牵引作用造成断头的现象。80年代以来，出现了宽压区压榨技术，强韧的橡胶带或胶辊，在强力受压时变形,从而有着高达750kn/m线压力和较宽的接触面，有着明显延长的脱水时间而大大提高了压榨脱水能力，在高速纸机上效果更为突出。现在出压榨的纸页干度可以从过去的3037提高到4345，有的甚至达到50。纸页接触光滑的硬辊面的次数或是粗糙胶面的次数以及各面的脱水量的多少，都会影响纸页的表面质量。处理合理则可以明显减少纸页两面平滑度的差异，反之也可以造成两面平滑度差异增大。 3)干燥部由齿轮传动或由毛布带动若干个烘缸为一组，若干组烘缸构成干燥部。各组烘缸的线速度可以分别调整，保持各组烘缸之间微量速差以补偿纸页在干燥过程中的收缩。出干燥部的纸页干度一般在9294左右。在干燥部末端，一般配有冷缸，使水气能在冷缸面上凝聚。冷凝水可以湿润纸页表面以利于在整饰中得到较佳的表面平滑度。烘缸直径以1.5m的效果最好。单面光纸可以通过采用高硬度、高光洁度缸面的大直径烘缸而得到较高的单面光泽度,大直径烘缸直径一般采用37.5m。 4)表面修饰部 用多工序处理以取得良好的表面质量。大多数纸在纸机后都经过机械压光机压光，使纸面平整一致。机械压光机由若干个冷铸铁辊制成，以各辊子的自重或另加压将纸面压平。若需要更高表面平滑度则要用超级压光机压光。它一般由纸粕辊和冷铸铁辊相间排列组成。根据使用要求不同，一些品种要经表面施胶来改进表面质量；有的要经过表面涂布，以改进外观质量或印刷质量。表面施胶、涂布可以用成纸在纸机外通过施胶机及涂布机进行加工，也可以将施胶机及涂布设备组合在纸机内进行机内加工。 5)传动系统将纸机各部位联接同步运转，使机械电气构成一体。由机械减速装置、调速稳速装置、分部传动装置等构成，均采用电力为动力源。 6)白水系统是对纸机成形部脱水的回收、处理和回用系统。包括白水的收集、输送、过滤或沉淀、气浮等设备，以分离回收纤维及填料复用，以及将清净的白水在造纸工艺过程中循环利用的整个系统。 7)辅助系统由与纸机配套的电气系统、真空系统、润滑系统、车间给排汽系统、损纸处理、压缩空气系统、供汽供水排水系统等所组成。(6)造纸机工作原理造纸生产分为纸浆和造纸两个基本过程。制浆就是用机械的方法、化学的方法或者两者相结合的方法把植物纤维原料离解变成本色纸浆或漂白纸浆。造纸则是把悬浮在水中的纸浆纤维，经过各种加工结合成合乎各种要求的纸页。(7)造纸机的控制要求 造纸机传动属于恒转矩负载，所以要求电机采用恒转矩调速。要求变频器工作在恒转矩调速控制状态，所以应该选用恒转矩机械负载变频器。有的公司对于恒转矩调速和恒功率调速采用不同型号的变频器，如西门子公司的eco系列风机、水泵控制用变频器和mdv、6se70恒转矩变频器。有的公司对于恒转矩调速和恒功率调速采用同一型号的变频器，对于同一台变频器采用不同的控制方式所接配的电机不同，变频器内部参数设置不同。如abb公司acs400、acs600系列变频器。比如型号为acs401-0030的变频器在恒转矩调速控制接配电机22kw，那么，当它在风机、水泵等恒功率控制时接配的电机为30kw。所以用户在选择变频器是应该首先了解变频器与传动机械特性匹配。 三.基本要求该纸机正常运行对电气传动控制系统的要求基本有以下几点： 1) 纸机传动系统要有一定的稳速精度和快速动态响应。其中稳态精度0.02- 0.01%，动态精度0.1%- 0.05%; 2) 工作速度要有较宽、均匀的调节范围，适应生产不同品种、定量的需要。调节范围为i=1：10之间; 3) 各传动分部间速比稳定、可调。为了使纸机可以生产良好的纸页和提高纸机正常工作时间，纸机各分部的速度必须是稳定、可调的。各分部的调速范围为810%; 4) 爬行速度。为方便检查、清洗聚酯网、压榨毛毯、以及检查各分部的运行情况，各分部应具有1530米/分可调的爬行速度。但这样低速运转时间不宜过长，以减少无效的运行和机械磨损; 5) 具有刚性或柔性连接的传动分部间，在维持速度链关系基础上，还须具有负荷动态调整的功能，以免造成由于负荷动态转移而引起有的分部因过载而过流，有的分部因轻载而过压; 6) 各分部具有微升、微降功能，必要的显示功能，如线速度、电流、运行、故障信号等。相关联的分部具有单动、联动功能; 7) 纸机传动控制系统，应具有良好接口能力，可与qcs控制、蒸汽控制等子系统上联上位工控机及工厂管理级计算机; 四.造纸机的工艺流程1.概述 图2所示的纸板造纸机, 可以看到该纸机是一种由多台设备组成的联动机。湿部包括浆料流送设备、网部和压榨部; 干部包括干燥部、切纸机和理纸机。具有适合抄纸性能的浆料进入造纸机的浆料流送设备, 经浆流分布器和流浆箱的分布和匀整以后, 均匀而稳定的流送到运动着的成形网的网面上。浆流在网部逐渐地过滤、脱水, 形成连续的湿的纸幅。当湿纸幅脱水到一定干度, 便可以从网面剥离, 送至压榨部继续脱水。压榨部是由若干组辊式压榨组成。湿纸幅是由压榨毛毯支托着, 在压辊间用机械挤压的方法脱水。为了保持压榨毛毯的良好脱水性能, 压榨辊上配设有毛毯洗涤装置。经压榨部后, 湿纸幅的干度一般可达4 0 % 左右。然后湿纸幅经气垫式烘干箱进一步脱水。干燥后的纸板经牵引辊进入切纸机, 经纵切刀由送纸辊进入横切部分, 横切甩刀将纸幅切断送出。切断的纸经输送辊、高速输送带、低速输送带、压纸带送往理纸机。最后打包称重, 整个工序完成。图2 造纸机的工艺流程 纸浆机按工艺要求喷出的纸浆（底浆和面浆）被引到传送毯上，经回头辊和一压辊引导、预压，再经两道压辊二压辊和三压辊的压整，成形纸进入5号烘缸初烘干，再进入大缸烘整，经13号烘缸烘干后由压光机整理，最后由卷纸机卷成筒形纸。从回头辊至卷纸机，9个环节均采用交流电动机变频器调速拖动，变频器的频率给定信号来自plc,变频器配有能量回馈单元。2. 稳速的要求造纸机由纸浆到形成纸张, 需经过多个分部, 因此是一个多单元的速度协调系统, 各个分部间的速度要求严格配合, 根据工艺流程, 一般有以下关系: 只要其中一个分部速度不稳, 就会无法维持生产, 纸幅不是断裂, 就是松垮下来。如果整台纸机车速不稳, 就不能保证纸张的定量(每平方米纸页的重量)不变。因此要求纸机的各分部都能稳速。但是, 在实际运行中, 有许多干扰因素破坏速度的稳定, 例如电网电压的波动、频率的变化、负载的波动、温度的变化等等,对电气传动自动化控制的要求是克服这些干扰的影响, 保证车速的稳定。3.平稳起动的要求纸机中有的分部要求平稳起动,例如网部起动太快就会损坏铜网; 干燥部传动惯量比较大, 起动太猛会把机械连轴扭断, 因此要求整个系统能平稳起动, 而且各分部要能单独起动和停止。4.纸机速度链 由于各分部传送着生产过程中的纸张, 根据造纸工艺的要求, 各分部间要求达到线速度比例协调(相邻两个分部间的线速度比值应保持恒定), 高精度地、可靠地保持这个比例系数是保证产品质量、生产正常运行的重要条件, 任何原因破坏这种比例协调,就会降低产品质量。同时, 纸机的这种速度比例协调关系应在该变车速或停机后重新开机时继续保持, 而不需重新调节。其次, 这种比例协调应具有微调功能, 以调节相邻两分部间的速差, 避免纸张在传送过程中的松弛和绷紧现象, 并且速度微调应该灵敏、可靠, 不应在调过程中有明显的滞后现象。 五.纸机控制系统结构我们的选型原则是：优化设计，程序通用化，界面美观化，使整个控制系统稳定性好、可靠性高、鲁棒性强。纸机控制系统结构图如图4所示。该控制系统采用交流变频分部传动控制，三级控制方式。第一级为驱动级，变频器采用ab公司系列变频器，由闭环控制编码器反馈板，组成闭环控制系统。第二级为plc控制系统，采用西门子s7-300 plc ， s7-300与变频器组成modbus总线控制网络，通讯速率可达19.2kbit/s，并完成自动卷取及辅助部分的机电一体化功能;第三级为上位控制系统，采用dell公司工控机,用于纸机传动系统状态监控，实现整个纸机自动控制。并可通过工业以太网与qcs系统、dcs系统、厂级管理级等联网，可实现纸机控制系统优化控制。 如图4 纸机控制系统结构图 六.造纸纸机电气传动控制系统的设计（软件部分）1.单片机变频调速（1）单片机介绍（1.1）单片机的概念单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器cpu随机存储器ram、只读存储器rom、多种i/o口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、a/d转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。（1.2）单片机的分类 单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。 1）通用型/专用型 这是按单片机适用范围来区分的。例如，80c51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成adc接口等功能的温度测量控制电路。 2）总线型/非总线型 这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、 数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。 3）控制型/家电型 这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算 能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。 显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80c51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。（1.3）单片机的基本结构单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。（1.4）单片机工作过程单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。 程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器pc（包含在cpu中），在开始执行程序时，给pc赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，pc之中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。（1.5）单片机硬件特性1）单片机集成度高。单片机包括cpu、4kb容量的rom（8031 无）、128 b容量的ram、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口 2）系统结构简单，使用方便，实现模块化 3）单片机可靠性高，可工作到106 107小时无故障 4）处理功能强，速度快5）低电压，低功耗，便于生产便携式产品 6）控制功能强（2）单片机的变频调速控制系统（2.1）概述 在电气传动领域中，随着自关断器件技术水平的不断提高，脉宽调制技术（简称pwm技术）也日趋成熟。pmw交流变频调速以其高效率、高功率因数、输出波形好、结构简单等优点，在井下风机、水泵、造纸机等设备中得到了广泛的应用。将单片机应用于交流变频调速系统，可有效地避免传统调速方案中的一些缺点，达到了提高控制精度的目的，其特点： 1）采用单片机可以使绝大多数控制逻辑通过软件实现，简化了电路。 2）单片机具有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元，可以实现较为复杂的控制。 3）无零点漂移，控制精度高。 4）可以提供人机界面，多机连网工作。根据国内外有关变频调速的最新研究成果及研究动向，参阅大量的文献、资料，本着先进性与成熟性兼顾、标准化、可靠性、连续性、及时性的系统设计原则，设计了如图5所示的系统结构框图。 图5系统结构框图整个电路分为三大部分：主回路、驱动电路以及用单片机控制pwm产生器的控制电路，另外还有过流检测和保护电路，这样使得系统工作更稳定、可靠。(3)系统主回路设计 (3.1)整流滤波电路的设计 为了给逆变器提供一个稳定的直流电压，需要将电网输入的交流电进行整流。通常整流电路可分为可控整流和不可控整流。可控整流可以使系统的功率因数接近l，并且具有较小的纹波，频率高，可降低较小幅值的滤波电容。但是采用可控整流电路会使得系统成本上升，并且控制电路复杂。目前比较经济可靠的方案，一般都是采用二极管整流，使电网功率因数与逆变输出电压无关而接近于1。在本系统中，我们采用了三相二极管不可控整流，如图6所示 图6 整流电路 采用它无需控制电路驱动，电路简单、可靠，成本低，缺点就是纹波较大，需采用较大幅值的滤波电容。 (3.2) 三相逆变电路的设计三相交流负载需要三相逆变器，在三相逆变电路中，应用最广的是三相桥式逆变电路。采用igbt作为可控元件的电压型三相逆变电路如图7所示，可以看出电路由三个半桥组成。 图7 三相逆变电路电压型三相逆变桥的基本工作方式与单相逆变桥相同，是 导电方式，即每个桥臂的导电角度为 ，同一相（同一半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的时间依次相差 。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个臂，下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此，也被称为纵向换流。用t记为周期，只要注意三相之间互隔t/3（t是周期）就可以了，即b相比a相滞后t /3，c相又比b相滞后t/3。具体的导通顺序如下：第1个t/6:v1,v6,v5导通,v4,v3,v2截至;第2个t/6:vl,v6,v2导通,v4,v3,v5截至;第3个t/6:v1,v3,v2导通,v4,v6,v5截至;第4个t/6:v4,v3,v2导通,v1,v6,v5截至;第5个t/6：v4,v3,v5导通,v1,v6,v2截至;第6个t/6:v4,v6,v5导通,v1,v3,v2截至。 (4)驱动电路及系统保护电路的设计 (4.1)驱动电路的设计作为功率开关器件，igbt的工作状态直接关系到整机的性能，所以选择或设计合理的驱动电路显得尤为重要。采用一个性能良好的驱动电路，可使igbt工作在比较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对提高整个装置的运行效率，可靠性和安全性都有重要的意义。驱动电路必须具备两个功能：一是实现控制电路与被驱动igbt栅极的电隔离;二是提供合适的栅极驱动脉冲。对驱动电路的要求，可归纳如下：1）igbt和mosfet都是电压驱动，都具有一个2.55v值电压，有一个容性输入阻抗，因此igbt对栅极电荷非常敏感，故驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与igbt的连线要尽量短。2）用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压uge,有足够陡的前后沿，使igbt的开关损耗尽量小。另外，igbt开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率，使igbt不退出饱和而损坏。3）驱动电路要能传递几十khz的脉冲信号。4）在大电感负载下，igbt的开关时间不能太短，以限制出di/dt形成的尖峰电压，确保igbt的安全。5）igbt的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带有对igbt的保护功能，有较强的抗干扰能力。本文采用美国ir公司推出的ir21lo集成驱动器来驱动igbt，它兼有体积小，速度快，电路简单的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选品种。驱动芯片ir2110用于驱动半桥电路如图8所示。 图8 ir2110驱动半桥电路 (4.2)电流检测及过流保护电路当流过igbt的电流过流，一旦超出安全区，igbt将永久损坏，因此系统要设置电流过流保护电路，系统在变频器的直流部分串电流互感器将电流转换为电压信号再通过比较器比较，将过流信号检测出来后，送到sa828l的脉冲封锁端（电平信号），那么sa828l就会停止输出pwm脉冲，以保护 igbt。igbt的过电流保护电路如图9所示。 图9 igbt的电流保护电路其中运放c814组成电压跟随器，其输入来自电流互感器的输出。两个电压比较器c271组成窗口电压比较器，比较器的输出经施密特反相器连接到与门的输入端。当igbt没有过电流时，c814的输入电压比较低，窗口电压比较器输出高电平，因此en信号为高电平，使igbt驱动信号有效;反之，当 igbt过电流时，en信号变为低电平，封锁了igbt驱动信号而使igbt关断，调节电位器rp，可以改变过流阀值的大小。过压保护电路的原理与电流保护电路类似，另外在主电路上应配装一个10a的快速熔断保险，当电路发生严重过流时，快速熔断保险烧断切断电网电源，尽可能的保证主电路的安全。 (5)控制电路软硬件设计三相spwm发生器是控制电路的核心部分。在本设计中，我们选用了at89c51单片机控制英国mitel公司的专用集成芯片sa8281作为 spwm波形发生器，该芯片与微处理器接口方便，几乎不用加任何的逻辑电路即可构成完整的spwm控制电路，结构紧凑，提高了系统的集成度和可靠性，利于降低成本。 (5.1)sa8281的功能介绍sa8281芯片是mitel公司设计的专门为交流电机的调速控制，ups电源以及其他需要脉宽调制作为一种有效电源控制的电力电子器件4。引脚如图10所示： 图10 sa8281的引脚排列 图11 单片机与sa8281连接图它可用于三相pwm波形产生的可编程微机外围接口芯片，使用一组标准的motel总线，适用于英特尔和摩托罗拉二种总线接口，接口通用性好，编程和操作简单，方便，快捷。sa8281采用常用的对称的双边缘采样法产生全数字化pwm波形，无时漂，无温漂，具有很高的精度和温度稳定性。有6个标准的ttl电平输出，用来驱动逆变器的6个功率开关器件。工作频率范围宽，精度高，三角载波频率可调。工作方式灵活，在电路不变的情况下，直接通过软件设定载波频率、调制频率、调制比、最小脉宽、死区时间等工作参数就可改变逆变器的性能指标，驱动不同负载或工作于不同工况。可通过改变输出spwm脉冲的相序实现电机的正反转，通过调制达到输出频率为ohz而给电机绕组通一直流电，实现电机的“直流插入制动”。独立闭锁端可瞬时闭锁输出spwm脉冲，可处理电机突发情况的发生。波形存储在内部rom中，可以选择可删除的最小脉宽和死区时间。 (5.2)控制硬件电路的实现控制电路部分采用的单片机为atmel公司推出的at89c51，它采用cmos结构，耗能低，抗干扰能力强，与mcs一5l系列完全兼容，且功能比一般的51系列芯片要强大许多。其内部含有128字节的ram和4k字节的eprom完全满足系统需要，不用外加ram或eprom存放数据或程序，但需要设定和保存的参数则存放在一片eeprom中。正弦波发生器的原理图如图11所示，它以sa828l作为三相正弦波的发生芯片，单片机at89c51作为sa8281的控制芯片。sa828l 将大部分外围电路都集成在芯片内部，可以看出sa8281与微处理器接口简单，控制电路非常简单，结构紧凑，这样做从另一方面来讲对芯片工作的稳定性有很大帮助，提高了可靠性。从整个电路来说，实现对sa828l的控制是通过按键输入相应的信息。本电路的设计要对sa8281输入初始化参数和控制参数，所以用到了三个按键0#键、1#键和2#键。在主程序中判断键号用的是查询式,0#键按下转入初始化子程序：l#键按下转入加速子程序：2#键按下转入减速子程序。at89c51是地址与数据总线复用类的单片机，为了隔离潜在的噪音干扰，设置输出断开引脚settrip在通常情况下接地，同时设置了开关，便于在紧急情况下迅速关断所有pwm输出;为使pwm输出处于有效状态，输出关断引脚 接高电平 6。外部时钟clk引脚接独立的12m有源晶振为 sa8281芯片提供一时钟基准用于控制与pwm有关的各时序。 (5.3)控制电路软件设计对sa8281芯片的控制是通过微处理器接口将相应的参数送入芯片内部两24位的寄存器r4、r3来实现的，它们是初始化寄存器和控制寄存器。数据先被读入一系列临时寄存器r0r2中，然后通过一条虚拟的写操作将数据传送至相应的r4，r3寄存器。初始化寄存器用于设定和电机及逆变器有关的一些基本参数。在正常情况下，这些参数在电机工作前就被初始化（例.在pwm输出允许前），并且在电机工作时一般不允许改变。控制寄存器在工作过程中控制输出脉宽调制波的状态，从而进一步控制电机的运行，比如转速、正/反转、启动和停止等。通常在电机工作时该寄存器内容经常被改写以实现对电机的实时控制。程序流程图下面分别进行说明： (5.3.1)主程序 主程序判断键号用的是查询式：o#键按下转入初始化子程序;1#键按下转入加速子程序;2#键按下转入减速子程序。另外为了防止误操作增加了延时去抖动的再次判断键号环节。主程序流程图如图12所示： 图12 主程序流程图 (5.3.2)初始化子程序在初始化子程序要设定的是与电机和变频器有关的基本参数，包括载波频率的设定、调制波频率范围设定、脉冲延迟时间设定、最小删除脉宽的设定、调制波形选择、幅值控制设定等。初始化寄存器的数据先以8位格式存入临时寄存器r0，r1和r2中，然后通过虚拟写操作r4再被存入初始化寄存器。通常情况下，这些参数在电机工作过程中不要改变。sa8281初始化子程序流程如图13所示： 图13 sa8281初始化子程序流程图 (5.3.3)调速子程序调速子程序包括加速子程序和减速子程序，本文只介绍加速子程序，减速子程序类似于加速子程序。加速子程序流程图如图9所示，控制参数包括调制波频率控制字和调制波幅值控制字，它们要通过计算求得，方法：首先根据电机的u/f曲线得到调制波的频率与幅值，然后通过公式计算出相应的控制字并制成表格，本文的程序设计中利用查表法实现两种控制参数的传送。调制波频率与幅值对比如表1所示。加速子程序流程图如图14所示： 表1 调制波频率与幅值对比表 图14 加速子程序流程图 (6)总结本文中，设计变频调速控制系统时，控制芯片采用单片机at89c51，采用sa8281作为正弦波发生器，用ir2110芯片来驱动，另外考虑到系统的稳定性，设计了系统的保护电路，这样整个系统有成本低廉，功能齐全的特点，并具有较大的实用价值。目前，我国的变频调速市场逐渐增长，需求量日益广泛。因而，对于变频调速控制系统的研究具有重要的学术意义和应用价值。2.plc变频调速（1）plc介绍（1.1）plc概念可编程逻辑控制器（programmable logic controller，plc），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。（1.2）plc基本结构 1）电源 2）中央处理单元(cpu) 3）存储器 4）输入输出接口电路 5）功能模块 6）通信模块（1.3）工作原理当可编程逻辑控制器投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段， 1）输入采样阶段：在输入采样阶段，可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入i/o映象区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，i/o映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 2）用户程序执行阶段：在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统ram存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在i/o映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在i/o映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在i/o映象区或系统ram存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 在程序执行的过程中如果使用立即i/o指令则可以直接存取i/o点。即使用i/o指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从i/o模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。 3）输出刷新阶段：当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。在此期间，cpu按照i/o映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是可编程逻辑控制器的真正输出。（2）plc同步传动系统（2.1）概论 在塑料、印染以及造纸纺织等业生产中，往往具有很多个同步传动单机，每个机组都有各自独立的拖动系统。与此同时，又要求各单元间被加工物（布匹、纸张等）的运行线速度能够步调一致，即实现同步运动。造纸设备虽然种类繁多，传动结构也各异，但从系统组成来看都是由压榨、烘干、压光、卷取等几个部分组成，各部分都有电机驱动。造纸工艺要求:设备传动时应保证纸在各部分传送时具有恒定的速度及恒定的张紧度。本文采用plc控制来实现造纸机的同步传动。（3）造纸机同步传动系统（3.1）造纸生产线控制要求分析图15为造纸生产线操作台的面板图。由于该系统由多个单元组成，各单元要求保持同步，从而构成同步传动控制系统。对同步控制的要求: 图15 操作台布置图 1）统调:各单元要能够同时升速和降速。统调是根据主指令单元（通常是一单元）对转速的要求来进行调节的。 2）局部微调:当操作人员发现某单元的速度不同步时，可以进行微调（人工干预）。微调时，该单元以后的各单元的转速必须同时升速或降速，而不必逐个的进行。 3）单独微调:在检修和调试阶段，或者遇到特殊情况，又必须能够对每个单元进行单独的微调。 假设该生产线由四个单元组成，各个单元的运行情况可以由各自的线速表直观的显示出来。（4）同步运行 1）当进行统调操作时，将单/统调开关切换到统的位置，通过统调按钮的增/减对四个单元进行同步控制; 2）当发现某单元的速度不同步时，可以进行同步微调，例如:当2单元需要调节时，则24单元则同时升速或降速; 3）当由于某种原因，某个个别单元速度跟不上时，这时需要进行绷紧。对于造纸系统来说，需要按下绷紧按钮，使其速度短暂提升一小段时间，达到绷紧效果。为了便于操作人员直观的了解系统运行情况，各个操作均有相应的指示灯显示。（5）造纸机同步传动控制原理（5.1）变频器的启停如图16所示，以1单元的变频器控制图为例，sa13为变频器的启动开关，当sa13接通时，运行指示灯la11亮，停止指示灯la12灭，此时变频器处于运行状态;当按下变频器停止按钮sa12时，线圈ka13失电，变频器停止运行。 图16 变频器控制图（5.2统/单调控制 统/单调开关sa11置于统调位置，此时，线圈ka12接通，生产系统处于统调状态，通过同步器，可以使14同时进行升速和降速调整。当拨到单调位置时，线圈ka12失电，同时线圈ka11通电，进入同步微调状态。这时可以调整该变频器及其以下的单元。（5.3）绷紧 当常开开关sa14闭合，此时线圈ka14通电，此时变频器会从外部得到一个瞬间稍高电压，控制该单元转速提升到正常水平;断开sa14，恢复的统调状态。图17为由4个控制单元组成的生产系统接线图。 图17 由4个控制单元组成的控制系统（6）造纸机同步传动系统的plc控制 采用欧姆龙公司的可编程序控制器cpm1a-40cdr-d对该造纸机同步系统进行改造，选择两个数字信号输入端x1和x2，通过功能预置，作为升速和降速之用，同时，把绷紧功能整合到各单元的单独微调;改造后的控制系统图如图18所示。 图18 采用plc进行控制的同步系统（6.1） 控制原理 变频器vfd-1至变频器vfd-4的fwd端在得到输入信号时，启动;失去信号时，停止;变频器vfd-1的x1端子在统调升速和单调升速时得到信号，x2端子在统调降速和单调降速时得到信号; 变频器vfd-2的x1端子在统调升速、24单元的同步微调升速和单调升速时得到信号，x2端子在统调降速、24单元的同步微调降速和单调降速时得到信号;变频器vfd-3的x1端子在统调升速、24单元的同步微调升速、34单元同步微调降速和单调升速时得到信号，x2端子在统调降速、24单元的同步微调降速、34单元同步微调降速和单调降速时得到信号;变频器vfd-4的x1端子在统调升速、24单元的同步微调升速、34单元同步微调降速和单调升速时得到信号，x2端子在统调降速、24单元的同步微调降速、34单元同步微调降速和单调降速时得到信号。（2.3.2） i/o分配 该型号plc的输入端的i/o地址为:00000-00915;输出端的i/o地址为:01000-01915。 i/o分配表附表所示。附表 i/o分配表。 梯形图控制程序造纸机同步系统的plc控制梯形图如图19所示。 图19 造纸机同步系统的plc控制梯形图（7）总结 根据以上的设计，我们采用了欧姆龙公司的可编程序控制器cpm1a-40cdr-d、台达ved-b变频器和scd同步器进行了造纸机同步系统的试验。在运行中效果良好，充分显示出其功能较强、构造简单、便于维护和检修、可靠性高等待点，达到了预期目的，具有广阔的应用空间。3.plc与单片机的比较 相同的地方：本质是一样的，都是基于微处理器技术。都可以实现对仪器设备的智能化控制。plc内部就用了单片机。优点 1)由专业大公司精心设计的硬件和软件系统，功能强大、可靠性好。 2)编程方法简单易学，即使是不熟悉电脑的工程师也可以用它开发复杂的控制系统 3)抗干扰能力强，适用于环境恶劣的工业控制场合。 4)有丰富的扩展模块和联网能力，可以做成大型复杂的工业控制系统。 5)价格便宜功能强大。既可以用于价格低廉的民用产品也可用于昂贵复杂的特殊应用系统。 6)自带完善的外围接口，可直接连接各种外设，有强大的模拟量和数据处理能力。 7)体积小，功耗低可用于电池供电的便携式产品。 8)有高级语言支持，编程效率高，可移植性好。缺点 1)价格昂贵，体积大 2)功能扩展需要较多的模块 3）不适合大批量重复生产的产品 4）编程方法复杂，不容易上手 5）抗干扰能力差4.造纸机plc的选型方式在plc系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是plc工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。plc及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用plc应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，plc的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定plc的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的plc和设计相应的控制系统。 1.输入输出（i/o）点数的估算 i/o点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商plc的产品特点，对输入输出点数进行圆整。 2.存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。 存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量i/o点数的1015倍，加上模拟i/o点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。 3.控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 (1）运算功能 简单plc的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通plc的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型 plc中还有模拟量的pid运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在plc中都已具有通信功能，有些产品具有与下