纸机传动系统方案选择与程序设计

1、纸机传动系统方案选择与程序设计 摘 要 纸机传动控制系统对纸机能否正常运行起着决定性的作用，对本次设计将完成纸 机传动的方案选择和程序设计。在方案选择中，本文结合所选器件的可靠性、稳定性、 市场价格等因素，使传动控制系统与造纸机整体装备水平相适应，以确保整个纸机系 统的高性价比和稳定。在程序设计时，针对不同要求的纸机传动系统和硬件设备,本课 题将试着完成一套通用 PLC 程序，在使用时当变频器发生变化，只需改变它的初始 设定值,此程序具有很强的通用性和可移植性，可以满足不同纸机的传动控制要求，从 而节约工程成本和提高工程可靠性的并节约了大量的设计工作。 文中介绍的纸机传动控制系统中，PLC 是

2、控制核心，它通过现场总线与变频器构 成 DCS 控制系统，实现了整个纸机传动过程中的加速、减速、紧纸、速度链等功能。 本论文对其中所用到的欧姆龙 PLC、ABB 变频器作了详细的说明，对 RS485 网络组 建的技术要点及其在纸机传动中的实际运用作了比较详细阐述。 关键字：PLC，变频器，变频器，RS485 Options and Procedures Designed in the Drive Control System of Paper Machine ABSTRACT Will the paper engine drive control system to the paper mac

3、hine normal operation decisive function, be completing whether the paper engine drive to this design the plan choice and the programming. In the plan choice, this article unifies chooses factors and so on component reliability, stability, market price, causes the transmission control system and the

4、paper mill whole equipment level adapts, guarantees the entire paper machine system the high performance-to-price ratio and stable. When programming, in view of different request paper engine drive system and hardware equipment,This topic will try to complete a set of general PLC procedure, when use

5、 when the frequency changer will change, will only have to change its initial setting value,This procedure has the very strong versatility and the probability, may satisfy the different paper machine transmission control request, thus saved the project cost and enhances engineering reliability and s

6、aved the massive design work. In the article introduced in the paper engine drive control system, PLC controls the core, it constitutes the DCS control system through the field bus and the frequency changer, has realized entire paper engine drive functions and so on in process acceleration, decelera

7、tion, tight paper, speed chain. The present paper to ohm dragon PLC, the ABB frequency changer which used has given the detailed explanation, transported to the RS485 network creation technical main point and in the paper engine drive reality has served as the quite detailed elaboration. KEYWORDS: P

8、rogrammable Logic Controller，Inverter，Speed Chain，RS485 目 录 摘 要 .I ABSTRACT.II 1 绪论.1 1.1 纸机变频控制系统的发展概况.1 1.2 PLC 技术的发展概况和趋势.2 1.3 课题设计内容及意义.3 2 纸机传动控制系统与原理.4 2.1 典型造纸机传动系统结构及工艺流程.4 2.2 纸机传动工艺控制主要特点.4 2.3 纸机控制系统结构.6 2.4 系统工作原理.8 2.4.1 速度链控制.8 2.4.2 负荷分配控制.10 2.4.3 张力控制.11 2.4.4 加压顺序控制.12 2.4.5 转移施胶涂

9、布机控制.12 2.4.6 断纸连锁控制.12 3 传动控制系统的方案选择和硬件设计.13 3.1 方案选择的原则和注意事项.13 3.2 大型纸机传动控制系统的方案选择.13 3.3 中、小型纸机传动控制系统的方案选择和相关设计.14 3.2.1 交流变频的选择与参数设置.15 3.2.2 变频的接线及说明.18 3.2.3 PLC 的选择和外围接线.20 3.2.4 通讯系统的方案选择.21 4 RS485 通讯控制系统的设计.23 4.1 RS485 标准.23 4.1.1 RS485 网络结构及硬件组建.23 4.1.2 RS485 组网技术及其特点.24 4.2 RS485 通讯参数

10、设置.24 4.3 通讯协议分析.25 5 PLC 程序设计.28 5.1 总程序设计.28 5.1.1 程序要求.28 5.1.2 数据区分配和子程序代码.28 5.1.3 程序流程图及说明.29 5.2 速度链的设计.30 5.2.1 速度链算法设计.30 5.2.2 查询扫描子程序设计流程图.31 5.3 通讯程序设计.36 5.3.1 通讯程序流程图.37 5.3.2 通讯循环控制程序.37 5.3.3 信息打包子程序.38 5.3.4 通讯发送子程序.39 5.3.5 信息解包子程序.40 5.3.6 CRC 子程序.41 5.4 程序的扩展性.42 致 谢.43 参 考 文 献.4

11、4 1 绪论 随着科学技术的快速发展，书刊、报纸、印刷量的急剧增加，加大了对纸张的需 求，因此，造纸技术的改进也就迫在眉睫。变频器技术的推广应用已经取得了明显的 经济效益，变频器是一种集电力、电子、计算机技术等现代化技术为一体的一种典型 的高科技产品。在造纸机传动应用的控制领域，随着变频技术、计算机技术以及网络 通讯技术的广泛应用，使造纸厂的自动化程度、控制精度、控制速度、系统的稳定性 和可靠性提高到了一个新的水平。但是，对于不同的情况和技术要求，仍然存在着选 取不同的控制系统和编写不同程序的问题。本课题将对目前多种典型造纸机传动系统 的传动工艺过程进行分析和学习，综合纸机传动特点，完成对纸机

12、传动系统硬件、软 件实现标准化设计，以满足不同纸机的传动控制要求，从而节约了大量的设计工作。 1.1 纸机变频控制系统的发展概况 纸机变频传动技术水平是和变频器的技术发展水平紧密相关的。按变频器的技术 水平分，纸机传动水平大致可以分为以下几个阶段:1）模拟开环阶段：V/F 控制通用 型变频器+模拟外部速度链控制是这一时期的系统主要形式。随着变频速度技术逐步 进入工业领域，国内真正应用的主要是开环和 V/F 曲线控制的通用型变频器。此外， 模拟给定电位器，或外部放大器模拟速度链控制器是这一阶段系统的主要组成形式。 2）数字式 PLC 逻辑控制和电动电位器工作方式：这种方式是随着变频器功能的完善

13、而开发设计实现的，可以是开环工作（视变频器的性能而定） 。其设计的依据是变频 器的电动电位器功能而定。 随着 DCS 计算机控制系统的推广应用，PLC 和变频器的通讯网络结构开始出现 并应用到变频传动控制中来，这种控制方式依赖于变频器和 PLC 通讯功能的完善和 实用化。以 PLC 或工控机通过总线协议方式实现同步速度链控制的纸机传动系统开 始成为主要形式。由于通讯功能和 PLC 的引入使变频传动系统在自动化和可编程方 面产生了质的变化，使传动系统不再是变频器的简单应用，而真正成为系统中的一个 控制和信息传递单元。 随着对交流电机研究的不断深入，交流电机的数学模型也日渐完善，在此基础上， 一些

14、电机的变频控制方式也相继问世，如矢量控制，直接转矩控制(DTC ) ,磁场定向 控制(FORCE)等，基于这些技术，一些大公司也相继推出了自己的变频器，如 ABB 公司的 ACS600, ACS800 系列，SIEMENS 公司的 6SE70 系列，ROCKWELL 公司的 1336 系列等，由于这些产品的出现，交流传动系统的功能指标及动静态特性己能与直 流传动系统相媲美。在造纸行业，目前广泛采用的是用晶闸管等静止变频装置构成变 频电源(如变频器)对纸机上的异步电机进行调速和功率分配，就其系统构成方式而言， 目前比较流行的主要有以下两种： （a）交流母排，即将多个变频器直接挂在交流母排上，通过

15、通讯的方式将各个 变频器联接起来。这类系统，目前主要用于中小型的低速纸机上。 （b）公共直流母排，将交流电源整流后，设一公共直流母排，在直流母排上再挂 有多个逆变器，通过逆变器来控制各个传动电机。 纸机变频传动系统正在进入一个通讯网络技术的发展时期，纸机变频传动系统也 正在进入以通讯网络为结构框架的大型控制系统，并且成为车间乃至 DCS 系统的部 分或子系统，在配置结构上都采用公共直流母线式结构。虽然在硬件上国内可以和国 外相齐并论，但是，在系统的软件及程序上，国外的发展水平远远超过了国内。要达 到乃至赶上国外的发展水平，需在软件及程序设计上下工夫。另外，从工业自动化的 方向来看，纸机传动控制

16、系统在朝着多功能化、智能化发展。 1.2 PLC 技术的发展概况和趋势 第一台可编程控制器(以下简称 PLC)的设计规范是美国通用汽车公司提出的。当 时的目的是要求设计一种新的控制装置以取代继电器盘，在保留了继电器控制系统的 简单易懂。操作方便、价格便宜等优点的基础上，同时具有现代化生产线所要求的时 间响应快、控制精度高、可靠性好、控制程序可随工艺改变、易于与计算机接口、维 修方便等诸多高品质与功能。这一设想提出后，美国数字设备公司(DEC)于 1969 年研 制成第一台 PLC，型号为 PDP-14,投入通用汽车公司的生产线控制中，取得了令人满 意的效果，从此开创了 PLC 的新纪元。在短时

17、间内，PLC 在其他工业部门也得到应 用。到 20 世纪 70 年代初，食品、金属和制造等工业部门相继使用 PLC 代替继电器 控制设备，迈出其实用化阶段的第一步。70 年代中期，由于大规模集成电路的出现， 使 8 位微处理器和位片处理器相继问世，在逻辑运算功能的基础上，增加了数值运算。 闭环控制，提高了运算速度，扩大了输入输出规模。在这个时期，日本、西德和法国 相继研制出自己的 PLC，我国在 1974 年也开始研制。70 年代末由于超大规模集成电 路的出现，使 PLC 向大规模、高速性能方向发展，形成了多种系列化产品。进入八 九十年代后，PLC 的软硬件功能进一步得到加强，PLC 已发展成

18、为一种可提供诸多功 能的成熟的控制系统，能与其他设备通信，生成报表，调度产出，可诊断自身故障及 机器故障。PLC 未来的发展不仅依赖于对新产品的开发，还在于 PLC 与其他工业控 制设备和工厂管理技术的综合。无疑，PLC 将在今后的工业自动化中扮演重要角色。 在未来的工业生产中，PLC 技术和机器人、CAD/CAM 将成为实现工业生产自动化的 三大支柱。目前 PLC 朝以下几个方向发展： （a）大型网络化:主要朝 DCS 方向发展，网络化和强通信能力是 PLC 发展的一 个主要的方面，向下与多个智能装置相连，向上与工业计算机、以太网等相连构成 特殊的控制任务。 （b）多功能:为了适应特殊功能的

19、需要，连续推出多种智能模块，如模拟量模输 入输出、回路控制、通信控制、机械运动控制、高速技术、中断输入等。这些智能模 块以为处理器为基础，其 CPU 与 PLC 的 CPU 并行工作，占用主机 CPU 时间很 少，有利于提高 PLC 扫描速度和完成特殊的控制任务。 （c）高可靠性、好兼容性:由于现代控制系统的可靠性和兼容性日渐受到人们的 重视，一些公司强自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推 出了高可靠的冗余系统。 （d）编程语一言向高级语言发展:PLC 的编程语言在原有梯形图语言、顺序功能 块和指令表语言基础上，推出了可运行与计算机 windows 环境下，界面友好的强劲 的

20、梯形图和语句表两种形式的编程、调试、诊断等功能。SIMATIC 则使用 C/C+等 高级语言进行编程，体现了面向未来的种种特征。 1.3 课题设计内容及意义 本文介绍了一种纸机传动控制系统，PLC 通过通讯控制与变频器构成 DCS 控制系 统，实现了整个纸机传动过程中的速度链、负荷分配、张力控制等功能，对其中所用 到的仪器如 C200HG 型 PLC、ACS600 的变频器都作了详细的说明,并对 RS485 网络 组建的技术要点及其在纸机传动中的实际运用作了比较详细地阐述。通过 PLC 与变 频器的链接应用，实现纸机传动的自动控制，从而达到节约工程成本、提高工程可靠 性和控制精确度的目的。 本

21、课题通过对造纸机不同分部的传动工艺过程分析，综合纸机传动特点对纸机传 动系统硬件、软件实现标准化设计，能够满足不同类型纸机的传动控制要求，当所用 纸机的变频器不同时，只需改变程序的初始化值。从而节约了大量的设计工作。 本程序设计体现了诸多优点。一是对于不同的纸机只需对程序数据区重新设定， 而程序的不作变化；二是充分利用了 PLC 扫描周期；三是如果所用变频器发生变化， 只需重新编写信息打包程序和解包程序，就可以再次使用。程序具有很强的通用性和 可移植性。 2 纸机传动控制系统与原理 2.1 典型造纸机传动系统结构及工艺流程 造纸工业中广泛使用的造纸机可以看作是一种由多台设备组成的联动机（如图

22、2- 1 所示） 。通常可分为湿部和干部两大部分。湿部包括浆料流送设备、网部和压榨部； 干部包括干燥部、压光机和卷纸机。 图 2-1 造纸机传动系统简图 经过配浆、施胶、加填和净化以后，具有适于抄纸的性能的浆料，在 0.31.3 的浓度下进入造纸机的浆料流送设备。在这里，纸料经过浆流分布器和流浆箱对浆流 的分布和匀整以后，均匀而稳定地流送到运动着的成形网的网面上。浆流在网案的胸 辊中心线附近上网以后，逐渐地过滤、脱水，形成连续的湿的纸幅。网案上通常设有 案辊、真空吸水箱、伏辊等成形-脱水元件。当湿纸幅脱水到一定干度(通常是 20%左 右)，便可以从网面剥离，送至压榨部继续脱水。 造纸机的压榨部

23、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的。为了保持压榨毛毯的良好脱水性能，压榨上辊配设有毛 毯洗涤装置。经压榨部后，湿纸幅的干度一般可达 40%左右。 湿纸幅在纸机上进一步脱水，通常是用加热蒸发干燥的方法。造纸机的干燥部通 常是 由许多用蒸汽从内部加热的烘缸组成。烘缸上包覆着干毯(或帆布、干网)，目 的是将纸幅紧压到缸面上，提高传热效率和增进纸幅的表面质量。 干燥后，通常使用由 68 辊组成的压光机来提高纸幅表面质量。最后用卷纸机 卷成纸筒，供整饰工段进一步加工使用。 2.2 纸机传动工艺控制主要特点 （1）网部 底网驱网辊、真空伏辊和底网第二驱网辊负

24、荷分配自动控制 芯网驱网辊、芯网复合辊和芯网第二驱网辊负荷分配自动控制 面网复合辊、面网驱网辊负荷分配自动控制 衬网驱网辊、衬网复合辊负荷分配自动控制 顶网驱网辊与芯网的速差控制 底网、芯网、衬网、面网的速差控制与速差保护等自动控制 （2）榨部 真吸移辊、真空压榨辊的负荷分配自动控制 真吸移辊、靴型压榨的负荷分配自动控制 光压上辊、光压下辊的负荷分配自动控制 （3）烘干部 各组烘缸的速度同步自动控制 各组烘缸主传动与辅助传动的速度同步自动控制与负荷平衡控制 引纸辊与烘缸之间的速度同步控制 前烘干部与转移施胶机之间的直接（或间接）张力自动控制 后烘干部与可控中高压光机之间的直接（或间接）张力自动

25、控制 （4）转移施胶机 施胶机在分辊时的速差自动控制 施胶机在合辊加压后的负荷分配自动控制 转移辊、计量辊的速差控制功能 引纸辊、弧形辊的速度同步控制 施胶机张力控制 （5）可控中高压光机 压光机两辊之间的速差控制与负荷分配控制 压光机张力控制 （6）涂布机控制 涂布机各传动点的速度同步控制 涂布机各传动点的直接转矩控制,在操作台上能够直接设定电机转矩，并能够控制 电机转矩，使其工作在设定值 涂布区负荷分配：统一协调分析各涂布区的负荷状况，根据张力传感器的检测值， 计算并依据整体涂布区工艺设定负荷分配，调节电机输出转矩，进行恒张力自动调节 （7）卷纸机 卷纸机的直接（或间接）张力自动控制 卷纸

26、机的自动计长控制 （8）其它控制 引纸绳为速度跟随控制，出现断纸时自动重新启动，正常抄纸时停止 2.3 纸机控制系统结构 根据以上的工艺流程，一般纸纸控制系统采用交流变频传动控制，系统控制结构 图如图 2-2 所示。系统为三级控制方式。 变频器控制级为传动系统的第一级，配有闭环控制编码器反馈板，组成闭环控制 系统。变频器上有 MODBUS 通讯接口，与 PLC 组成 MODBUS 现场总线控制网络。 图 2-2纸机控制系统结构图 PLC 控制系统为传动系统的第二级，PLC 上配有通讯板，能与变频器组成现场总线控 制网络，完成整个纸机操作控制 PLC 还与上位机进行通讯，完成信号的集中显示和 监

27、控功能。上位优化控制系统为传动系统的第三级，采用工业控制计算机，用于整个 纸机传动系统状态监控。上位机采用组态软件，可以通过工业以太网与 QCS 上位机、 DCS 上位机、车间管理级、厂级管理级等联网控制，实现纸机传动控制系统优化控制 和自动控制。 （1）上位计算机优化控制系统： 造纸车间计算机优化控制系统能够将整个纸机车间各控制部分联系起来，由车间 管理级计算机统一管理控制。QCS 系统、DCS 系统制浆系统、流送系统、热泵控制 系统、和传动控制系统上位机通过工业以太网将各自部分的工作状况送往车间管理级 计算机，车间管理级计算机经过分析得出各部分的最佳工作参数，使各部分处于最佳 的工作状态。

28、如车速发生了变化，则纸浆流送系统，三段通气系统都将跟随进行调节。 在生产过程中，根据市场的变化可能经常更换生产品种，传动系统可以做到自动 更换。车间管理级计算机可以通过以太网与厂级管理计算机联网，接受厂级管理计算 机管理。若需要更换品种，由其发出所需的生产品种、车速等指令，则各纸机控制部 分统一动作，调节工作状况满足当前生产需求，实现统一的自动化控制。 传动部上位机对传动部分进行优化控制，它负责将纸机传动部分工作状况送往车 间管理级和其它过程控制部分，同时接受车间管理级和其它过程控制部分的指令，调 节整个传动部使之满足生产要求。上位机能够记录各种状态下纸机传动系统运行状况， 能够实时检测显示纸

29、机运行状况，便于操作人员及时了解生产状况。上位机采用动画 技术可以模拟再现纸机实际运行状况，使您在工作的同时有身临其境的感受。 传动部上位机备有通讯接口，系统软件组态软件具有开放性、兼容性，可以与任意其 它系统方便联网，进行综合控制。传动部上位机与 PLC 之间采用 RS232 通讯方式控 制，上位机的具有监控功能。完成纸机传动过程的优化控制。 （2）PLC 控制系统 在纸机传动系统中，PLC 为控制中心， 它通过现场总线 MODBUS 与变频器构 成 DCS 控制系统，控制系统结构图如图 2-3 所示。PLC 与上位机、变频器实行高速 通讯。 图 2-3 控制系统结构图 传动部控制中心选用的

30、 PLC 上配有 MODBUS 接口，可与变频器组成 MODBUS 控制网络，采用现场总线实现高速通讯，完成整个纸机传动过程中的速度链、负荷分 配，完成操作控制及过程数据显示。PLC 作为控制的第二级，在控制中有承上启下的 作用，其作为控制的核心，有如下控制功能1。 PLC 主要控制功能： （a）现场控制信号的采集，PLC 循环扫描检测操作台上的按钮、开关等信号。 （b）速度链的控制及计算，PLC 根据工艺要求完成速度链的控制处理。调节前 一级速度时后一级紧随前一级的速度变化。调节后一级的速度时前一级速度不变。 （c）速度控制的执行。PLC 接受上位机控制指令，通过上位机操作，PLC 可以 根

31、据纸张生产品种自动调节车速、分部变比以适应生产需求，并通过现场总线控制各 分部变频器的运行速度。 （d）自动负荷分配控制功能，对于负荷分配点，PLC 要完成负荷分配运算及控 制。 （e）PLC 与变频器实行高速通讯，将传动各分部点工作状态采集到内部数据区， 并实时将信号送入上位机。 （f）断纸报警连锁控制及电气一体化连锁控制。 （g）与其它工艺过程的连锁控制。 操作台控制： 操作系统配有多个操作台，分别设立在控制现场。操作台设有速度微调增加、速 度微调减少、启动、停止、爬行/运行等开关按钮，设有变频器运行状态指示等。并设 有数字线速度显示表显示各分部传动点的工作车速和电机电流。可以对各传动点实

32、现 全部控制功能，具体控制功能如下： 起动/停止：用于控制本分部电机的起停控制。 爬行/运行：用于低速调试检修、正常抄纸切换。 单动/联动：对于要求负荷分配各传动点的单动/联动控制。 速度微增： 用于本传动点的速度微调。 速度微减： 用于本传动点的速度微调。 紧纸： 用于本传动点的紧纸调节。 负荷分配功能：负荷分配点自动实现分配。 监测显示功能有： 变频器运行、故障等状态显示。 电机的电流、分部线速度显示。 单独设置紧急停车，按照需要安装在纸机上，当纸机运行过程中出现意外事故， 威胁到设备安全及人身安全时才可使用。紧急停车采用按钮控制,信号直接送入 PLC 和变频器,确保系统得可靠性。 （3）

33、变频控制系统 变频器一般为新一代的全数字交流变频器，它直接实现电机的转动控制。变频器 可以通过设置参数来选择不同的操作方式和各种功能，其配有编码器反馈板，实现闭 环控制。变频器上带有 MODBUS 通讯接口，与 PLC 组成 MODBUS 现场总线通讯控 制系统。 2.4 系统工作原理 在纸机传动系统中，根据纸机系统本身的结构和造纸工艺流程，需要注意控制方 式的选择和设计。 2.4.1 速度链控制 依据纸机传动系统的工艺特点，速度链的设计采用了调节变比的控制方法实现速 度链功能，这样可以构成任意分支控制速度链控制系统。 （1）速度链结构设计： 速度链结构采用二叉树数据结构算法，用于完成传递功能

34、。首先对各传动点进行 数字抽象，确定速度链中各传动点编号，此编号应与逆变器内部地址一致。然后根据 二叉树数据结构，确定各结点的上下、左或右编号。在此过程中，我们要按一定的顺 序，保证前级（父）的编号要小于后级（子）的编号。这样任一传动点由 2 个数据 （其父和其子）确定其在速度链中的位置，填位置寄存器数值。 传动点速度送给逆变器后，PLC 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。故只须对位置寄存器初始化，即可构成任意分支速度链。 （2）算法设计： 例如，如图 2-4 所示我们把纸机第一分部点作为速度链中的

35、主节点，即它的给定 速度就决定整个纸机的工作车速，调节其给定速度就调节了整个纸机车速。在 PLC 内，我们检测到车速调节信号则改变车速单元值，1 点处的速度就为第一台逆变器的 运行速度设定值，将其送第一台逆变器执行，并送给第二台计算。第一分部的速度值 乘以第二分部的变比 b1/a 则为第二台逆变器的给定值。若第二分部速度不满足运行要 图 2-4 速度链控制示意图 求，说明第二分部变比不合适，可通过操作第二分部的加速、减速按钮实现，PLC 测 到按钮信号后调节 b1 即调整了变比，使其适应生产要求。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，某种原因

36、需要用 紧纸、松纸时，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。图中 2 点就包含了调速和紧纸、松纸等操作指令的速 度值，将它送给第二台逆变器执行，同时送下一级计算。依此类推，构成速度链控制 系统。速度链的分支设计采用父子算法，可以构成任意分支的速度链结构。 本速度链的设计不仅只是为实现纸机传动控制要求，而且为后续的计算机优化控 制提供了可能。在 PLC 内部有非常精确的传动变比，我们设计为精度为 0.001%，通 过设定参数可以做到更高。这样有精确的传动变比上位计算机可以精确地记忆纸机传 动过程参数，当需要更换品种或车速时，上位计算机可以准

37、确地将纸机运行参数传入 到 PLC，由 PLC 执行，将纸机调整到当前工作状态。 2.4.2 负荷分配控制 如图 2-5 所示，网部、压榨 部要求有负荷分配，它们之间要 求速度同步的同时要求负载率均 衡，否则会影响正常抄纸。当负 荷不能均匀分布时，有可能撕坏 毛布或造成断纸，这些传动部分 的各自传动点之间实施负荷分配 自动控制功能。 负荷分配原理2： 在纸机、印染机或其他传动 系统中，只是电动机速度同步并 图2-5 负荷分配示意图 N i ei Liei N i P MP M 1 1 * 不能满足实际系统的工作要求，实际系统还要求各传动点电机负载率相同，即 =Pi/Pie相同（Pi 为 i 电

38、机所承担负载功率，Pie为电机额定功率） 。现在以三点负荷分 配为例，P1e、P2e、P3e为三台电机额定功率，Pe为额定总负载功率，Pe= P1e+P2e+P3e 。P 为实际总负载功率，P1、P2、P3为电机实际负载功率，则 P=P1+P2+P3。系统工作 要求 P1=P*P1e/Pe ，P2=P*P2e/Pe，P3=P*P3e/Pe。负荷分配的目的就是使 P1、P2、P3满 足上述要求。 在实际控制当中，电机功率是一间接量，实际控制近似以电机定子电流或转矩代 替电机功率。 负荷分配采样各分部电机的转矩，这样计算出系统总负荷转矩，根据系统总负荷 转矩可以计算出负载平衡时的期望值转矩。计算平

39、均负荷转矩方法如下列公式所示。 （2-1） 其中： MLi 第 i 台电机实际输出转矩； Pei 第 i 台电机额定功率； M 为负荷平衡期望转矩。 负荷分配控制器根据平均期望转矩 M 和自己实际转矩 MLi比较进行调节。纸机负载随 时波动，所以计算出的平均期望转矩 M 也根据实际负载变化，所以这种控制算法可 以准确计算出总负荷和每台电机应该输出转矩，为准确控制提供了方便。 纸机对传动系统要求快、准、稳，所以负荷分配控制也要求快速稳定无震荡。负 荷分配控制器根据平均期望转矩 M 和自己实际转矩 MLi比较，得到偏差，应该根据偏 差信号的大小进行 PID 控制算法调节。负荷分配可以有两种控制方法

40、，一种是通过 PLC 来完成，另一种是利用变频器内部软件主从应用宏来实现。 通过 PLC 来完成的负荷分配方法是 PLC 通过通信网络得到电机转矩参数，利用 上述原理再配以先进的 PID 调节算法调节逆变器的输出使电机转矩百分比一样，即各 电机转矩电流和额定电流比值应相等。这样完成负荷分配的自动控制。对于网部，由 于驱网辊和伏辊可能出现打滑现象，所以对于驱网辊和伏辊设有最大速差保护，若超 过最大速差还不能达到负荷平衡，则自动负荷分配停止，处于速度控制模式。对于压 榨部根据纸机的压榨部上下压榨辊的加压信号进行控制，当上下辊加压后，吸移辊与 上下压辊处于负荷分配控制模式，PLC 启动负荷分配调节控

41、制，上下辊分开时从机处 于速度控制模式，PLC 停止负荷分配，维持速度同步不变。 另一种负荷分配控制方法是利用变频器内部软件主从应用宏来实现，主应用宏是 变频器之间的多电机通讯控制系统。以 ABB 变频器为例，当主机处于速度控制模式、 从机处于带速度限幅的转矩控制模式或速度控制模式时，主机与从机之间通过 DDCS 光纤通讯，可以使从机工作在转矩控制的模式下。在纸机负荷分配控制中可以采用转 矩/速度可以相互切换的控制模式。在要求负荷分配时处于转矩控制模式，在调试时 采用速度控制模式。 由于负荷分配控制点属于共同带同一负载，所以要求同时启动，同时停止。但在 调试检修过程中要能单独起停，因此对负荷分

42、配各传动点采用单动/联动控制。 此外，在负荷分配控制调节过程中，要求速度恒定，不能影响后边的传动点，所 以我们速度链控制采用主链与子链相结合的方法。 2.4.3 张力控制 根据纸机工艺要求，在转移施胶机、压光机、涂布机加张力传感器。张力传感器 检测纸页的张力信号送入 PLC 内，PLC 根据张力设定值和张力传感器的反馈值进行 调节，维持纸页张力恒定，实现张力闭环控制。在张力传感器前加有断纸检测，出现 断纸，可以自动退出张力控制模式，自动转为速度控制模式。待纸页重新引上后，断 纸信号消失，自动转换为张力控制模式。 PLC 内采用 PID 控制算法，并带有速度限幅，防止断纸时出现飞车现象。PLC

43、对 张力传感器信号进行分析，可以及时报警并有效预防张力传感器故障对生产的影响。 2.4.4 加压顺序控制 纸机的大辊径压榨采用 PLC 控制加压顺序控制，要求这个部位为电、液一体化 控制。操作台设计 1 个两位开关，功能为加压/分辊，当在加压状态时，先抬起棍子及 液压站的辊闭合状态，当接近开关信号到达时立即切换到保压状态，即液压系统的预 备状态。当主传动运行速度同步时自动切换到加压状态。当油路出现故障时自动分辊。 在停止和爬行时可以实现合辊动作但不执行加压动作，只有当主传动处于运行状态并 加速过程结束进入恒速，且速度同步时才可以执行加压状态。 2.4.5 转移施胶涂布机控制 机内涂布机可用于单

44、面涂布或双面涂布，装于纸机烘干部的烘缸组之间，本纸机 位四辊门辊涂布机。下涂布转移辊的轴承是固定的，其位置不需改变。上涂布辊是移 动的，可以开启或闭合。上涂布转移辊线速度大于下涂布转移辊线速度，且较纸速快 2%左右，使得纸幅象包附在上涂布转移辊一样离开压区，从而使涂层在纸面上均匀 分布。转移辊和计量辊各辊同相邻两辊旋转方向相反，采用速差控制，线速度不同， 由此增大对涂料的剪切力，以利于涂料均匀分布于辊面和控制涂布量的大小。 纸页在转移辊 1、转移辊 2 之间完成涂布工作，所以两转移辊必须同步跟随纸机 工作车速，为了达到涂抹效果，转移辊 2 线速度较纸速快 2%左右。对涂布机采用张 力控制，使纸

45、张在恒定的张力下连续进入涂布机。 2.4.6 断纸连锁控制 在纸机的压榨部、转移施胶机、涂布机和压光机前装有断纸检测光电开关，当出 现断纸时迅速声光报警，并在操作屏上指示断纸部位。同时可以控制引纸绳立即启动 加速至当前同步速度，为引纸做好准备工作。并可以控制使密闭汽罩门自动提升等相 关控制。 3 传动控制系统的方案选择和硬件设计 我国造纸工业发展速度很快，目前纸厂、造纸机械厂众多，规模大小不等，技术 与装备水平差异甚大，传动控制系统也是各种各样。纸机传动控制系统对纸机能否正 常运行起着决定性的作用，这需要我们结合生产实际根据具体情况进行方案设计。 3.1 方案选择的原则和注意事项 传动控制系统

46、的方案选择6时，我们遵循的原则是：充分考虑所选器件的可靠性、 稳定性、市场价格等因素，使传动控制系统与纸机整体装备水平相适应，以确保整个 纸机系统的高性价比和稳定。在造纸机控制系统传动选择过程，应当注意的以下事项： （1）不能盲目追求高技术标准 合理的选择适合本纸机传动技术方案，不要盲目地追求采用新技术、新方法。要 根据纸机对传动工艺要求合理选择。公共直流母线系统、大型 PLC 组成的现场总线 控制系统都是目前的先进技术，但是在中、小纸机上采用体现不出优越性，反而会极 大地增加成本，造成资源的浪费。应该根据自己的纸机选择合适配套的技术标准。 （2）必须充分满足技术标准要求，不能因为价格因素而降

47、低设计标准。 不同档次的产品有不同的价格，应该在满足技术性能的前提下选择合理的系统配 置方案，选择高的性能价格比，而不能仅仅依靠价格。即使依靠价格也应该以相同的 技术标准作为依据。 PLC PROFIBUS-DP PROFIBUS-DP OP1OPnOP2 传动部上位机 DCS上位机QCS上位机 管理级 以太网 第一级 第二级 第三级 作为设计者充分考虑各方面的因素后确定最终的详细技术方案，详细规定所选择 的各种设备型号和技术性能指标。不能把价格作为选择传动系统的依据，必须在确定 技术性能的基础上再考虑价格。 （3）传动系统的性能指标做到满足生产需求即可，不能盲目追求高指标。 传动系统的性能主

48、要取决于系统的硬件性能，所以在选择控制系统时应该注重系 统的硬件配置水平。比如稳速精度、动态精度取决于变频器产品自身的性能，过载能 力取决于工作状况。这些与传动公司自身的技术水平没有必要的关系，而且这些性能 指标必须是由专业的机构才能测试。所以在选择传动系统时应重点注重系统的硬件水 平及性能，而不要去注重那些由传动公司自己提出的性能指标，以科学的态度对待系 统的性能指标。 3.2 大型纸机传动控制系统的方案选择 大型纸机车速比较高，速度在 500m/min 以上，传动点多在 40 点以上，甚至达到 100 点以上，所以传动要求自动化控制程度高。大型纸机一般采用典型的三级控制， 如图 3-1 所

49、示。 图 3-1 大型纸机的三级控制结构图 传动系统第一级为变频控制级，变频器采用由各大公司生产的高性能变频器（如 ABB ACS800、西门子 6SE70 等） ，配有闭环控制编码器反馈板，组成闭环控制系统。 变频器上还配有现场总线通讯板，与上位 PLC 组成现场总线控制网络。 传动系统第二级为 PLC 控制系统，PLC 采用大型 PLC，要求支持高速现场总线 功能，操作台控制选用操作屏，PLC 与变频器、操作屏组成现场总线控制网络3，完 成整个纸机操作控制。 传动系统第三级为上位优化控制系统，采用工业控制计算机,用于整个纸机传动系 统状态监控。上位机一般采用组态软件，可以通过工业以太网与

50、QCS 上位机、DCS 上位机、车间管理级、厂级管理级等联网控制，实现纸机传动控制系统优化控制和自 动控制。 3.3 中、小型纸机传动控制系统的方案选择和相关设计 中、小型纸机传动控制系统中，小型纸机车速比较低，速度在 500m /min 以下， 传动点少，在 30 点以下，一般采用三级或二级控制。为了学习纸机传动系统的基 础和方便实验，在本次设计中，我们主要以中、小型织机传统系统为研究对象。 3.2.1 交流变频的选择与参数设置 在中、小型纸机传动系统中，各部分传动电机都在 800-1200KW 以下，故变频器 宜选用 380V 电压等级。它线路简单，技术成熟，可靠性高，dv/dt 小，价格

51、相对便宜。 另外，高速纸机、薄页纸机、涂布白板等纸机对传动稳定性要求比较高，因此应该选 择高性能变频器，如 ABB ACS800、SIMENS 6SE70 等；而一般的低速纸机、文化纸 机等可以选择低一档变频器，如 ABB ACS400、SIMENS MM440 等。 在本次设计中，我们以用 ABB 公司的 ACS6004和 ACS4005为例进行相关设计， 它们的参数设置如下： ACS600 参数设置 （1）启动参数 （a）这些参数是设定电机信息的一组参数，只需在第一次运行时设置以后就不 需要再改变了，这一组参数代码范围从 9601-9910 共十个参数。 电机信息。包括电机额定电压（990

52、5） 、额定电流（9906） 、额定频率（9907） 、额定 速度（9908） 、额定功率（9909） 。这些参数的获得是从电机的铭牌数据中得到。例如 一台四极三相异步电动机 Pn=30Kw、In=59A、Nn=1450rpm、fN=50Hz、UN=380V， 则设置参数时：9906=59.0、9907=50.0、9908=1450、9909=30.0。 （b）电机控制模式（9904） ，ACS600 系列变频器有两种控制模式：（1）DTC 即直接转矩控制。 （2）SCALAR 即标量控制。在直接转矩控制模式下，系统中给定信 号为转矩，即使在没有反馈的情况下（即开环)也可对电机进行精确的速度及

53、转矩控 制。而标量控制相对来说控制精度要差一些。 （c）应用宏的选择（9902） 所谓应用宏就是根据变频器在一些常用的场合中所需的一些功能在出厂时已经经过预 编程的参数集。利用这些应用宏，用户可以快速完成对变频器的设置。ABB600 系列 变频器的应用宏有以下几种：Factory（工厂宏） 、Hand/Auto Ctrl（手动/自动宏） 、 PIDControl（PID 控制宏） 、Sequential Control（顺序控制宏） 、Torque Control（转矩控 制宏） 。用户可以根据需要选择应用宏，例如在利用变频做压力或流量控制系统中， 就可以用 PID 控制宏实现闭环控制。 （2

54、）变频控制参数 这些参数主要规定了变频器起动方式，包括：10.01、10.02 起动/停机/方向的命令 的信号源，在外部控制时，变频器的起动和停止应适用外部端子或通信的方式，而 ABB600 变频器用外部端子又有多种组合，常用的可以设为 DI1-DI6 的任何一个作用 起动/停止的命令的输入端。10.03 是规定变频器所拖动电机的旋转方向，根据电机学 我们知道三相异步电机的旋转方向取决于输入三相电源的像序，在需要双向运行（如 电梯、升降机等）的场合可以把这个参数设为 REQUEST，由数字输入端子来控制电 机的旋转方向。16.01 允许信号：要启动变频器将参数必需设为 YES。 （a）给定选择

55、 外部控制选择 11.02ABB600 有两个控制源可以选择即 EXT1，EXT2。当选择 EXT1 时，变频器的起动由 10.01 所指定的输入端子控制，频率由 11.03 所指定的方式 给定。对于 PID 应用宏，此时为开环控制，对于转矩控制宏，此时为速度控制，当选 择 EXT2 时，变频器的起动及频率来源分别为 10.02，11.06；在 PID 宏及转矩控制宏 下分别为闭环控制及转矩控方式。 频率给定源的选择 10.03，11.06 分别是 EXT1，EXT2 的给定源，对于使用模拟 作为给定时可以选择模拟输入端子（AI1-AI3）的任何一个作为给定，这里要说明的 是 AI1 为 0-

56、10V DC 电压信号，AI2-AI3 位 0-20mA 电流信号，当然也可以通信或数字 端子（即电动电位器）进行设定频率。 恒速给定。在有些场合中，如纸机在爬行时，不需要改变变频器的运行频率就可 以用恒速功能，ABB600 变频器有 15 种恒速可以供用户选择。 （b）加、减速时间 加、减速时间及积分类型的选择十分重要，特别是在拖动大惯性负载时，如在纸 机传动系统中，拖动烘缸的变频器在设置加、减速时间应大一些，如加速时间过短， 起动时电机处于堵转状态，容易发生过流故障，如减速时间过短则可能发生惯性负载 拖动电机，使电机处于发电状态，则变频器发生过压故障，建议在这些场合中如允许 可用自由停机方

57、式（即 21.03 设为 COAST） 。 在纸机传动系统中，烘缸传动加速时间 20.02 可设为 30-40s，减速时间可稍长一 些，即 22.03 可设为 40-80s，其余传动点加、减速时间均可设为 20-30s。 对于参数 22.06 加速/减速积分又分为线型积分、S 形曲线两种。一般传动系统中 均可用线型积分，在电梯及复卷机传动系统中则用 S 形曲线。 （c）限幅参数 限幅参数主要规定电流转矩最高运行频率等参数，在 ABB600 系列变频器中，最 大输出电流能达到 200%Ihd，在转矩控制模式下最大输出能达到 300%，一般来说， 在纸机传动控制中，都能满足要求，这些参数基本上不用

58、修改。 （参数代码 20.03、20.04） 对于最高运行频率，一般出厂设定 50Hz，如果传动系统减速器选择合适的话，也不 用修改，如果要修改这一参数时，要注意的是在运行频率大于 50Hz 时为恒功率调速， ABB600 变频器修改最高运行频率时也设定以下几个参数（以改为 65Hz 为例）： 99.07 改为 65Hz；20.08 改为 65Hz；11.05 改为 1950rpm（对于四极电机） 。 （d）闭环控制参数 闭环控制的实现对于 ABB600 变频器有两种途径，其一是配编码器反馈卡的速度 闭环控制，其二是过程 PID 控制。 速度闭环控制，此时要设定的参数有：编码器每转的脉冲数，这

59、一参数根据所选 编码器来确定，一般有 360，500，1024，2048规格；50.02 编码器脉冲的计算， 一般在纸机传动中，不需正反转运行可以设定为单 A 或 B 输入即可；23.01 速度控制 增益；23.02 速度控制器的微分时间。这三个参数要根据具体的传动系统进行整定， 使稳定的动态性能指标均能满足要求；98.01 脉冲编码器可选模块选择应设为 YES。 过程 PID 闭环控制，反馈量往往是把压力或流量通过传感器转换为电压或电流信 号，这时就可以用过程 PID 控制，稳定 PID 的参数设置如下：40.01PID 控制器增益； 40.02PID 控制器积分时间；40.03PID 控制

60、器微分时间。 ACS400 参数设置 ACS400 与 ACS600 变频器相比较，其功能简单一些，它的缺陷主要有：（a） 不能实现直接转矩控制；（b）不能实现速度闭环控制；（c）功率等级只有 2.230Kw。但是在纸机传动可以用于某些功率小、不需要多台电机拖动的传动点。 ACS400 参数设置基本与 600 系列变频器相似，这里就不再详细介绍。纸机传动控制 系统中的经常用到的参数见表 3-1。 表 3-1 ACS400 系列变频器参数常用表 参数代码参数名称设定值及内容 9902 应用宏 6：PID 控制宏 9905 电机额定电压 380：380V 9907 电机额定功率 50：50Hz 9