摘要：造紙生產流程中，各分部之間需要速度協調控制；在某些分部，如壓榨部壓榨形式采用真空輥帶K式壓榨時,為使K式壓榨各傳動電機根據各自的功率配置合理承擔負荷功率輸出,需采用負荷分配控制形式.整個生產線的速度協調問題可以選用PLC作為上位機，利用通訊實現對變頻器的控制。森蘭SB80變頻器提供了豐富的串口協議，可方便組網控制。
關鍵詞：SB80變頻器，組網控制，負荷分配， USS協議，RS-485接口
1. 應用背景
在普通的造紙多電機分部傳動控制系統(tǒng)中，以速度控制為基礎，各分部之間的速度需要協調控制。根據工藝要求，在網部采用K式壓榨的分部需結合負荷分配控制，對電氣傳動自動化控制有如下要求：
1) 起動要求
紙機中存在傳動慣量較大的分部，如烘缸，需要平穩(wěn)起動，避免引起機械連軸的損壞。
2) 速度要求
造紙機由紙漿到成紙，需經過壓力噴漿上漿、壓榨、干燥、壓光和卷繞等多個分部，是一個多單元的速度協調控制系統(tǒng)，各個分部間的速度有著較嚴謹的速度比例關系，否則會造成斷紙或者過度松弛，影響成紙的物理指標，而且不能穩(wěn)定紙頁的定量控制，影響產品質量。因此紙機的各分部都要有精度較高穩(wěn)速性能。
紙機正常工作時，工藝上的變化速度的調節(jié)范圍不大，一般只在10－15％；在紙機調整時，如檢查調整網籠、毛毯，烘干部預熱時要低速爬行，車速約為20m/min，對穩(wěn)速沒有要求。
3) 各分部調速的要求
如圖1所示的造紙機工藝流程平面圖，紙機上的紙受到牽引力的作用，在網部和壓榨部產生縱向伸長，在干燥部縱向繼續(xù)伸長，當紙張含水量降低后，紙張減少縱向伸長變形，在紙張進入壓光機和卷紙機時，紙張再度牽引而伸長，因此在整個紙機生產線中，各個分部的速度是不同的，這樣可以保持紙幅張力。同時，紙機各分部的速度必須是可以調節(jié)的，這樣可以避免紙幅松弛或過度繃緊而斷紙。由于造紙機無須頻繁起動，且工藝要求的變速范圍不大，所以穩(wěn)速是紙機電氣傳動自控的比較主要目標。

圖1  造紙機工藝流程平面示意圖

在控制系統(tǒng)中，由于需要多電機同步控制，采用西門子S7-200PLC的USS協議進行組網來控制不同分部的變頻器實現對電機變頻調速，從而達到紙機傳動的協調控制。具體配置為CPU226PLC,操作控制臺、DI/DO擴展模塊、屏蔽雙絞線、兼容USS協議的SB80變頻器等。
森蘭SB80變頻器具有豐富的控制功能，可以滿足大多數行業(yè)的驅動控制需求，在本控制系統(tǒng)中，采用無PG矢量控制方式及v/f控制模式來驅動各分部電機，并且實現壓榨部負荷鏈的負荷分配；強大的通訊功能方便與上位機通訊，支持Modbus廠家協議和USS協議； 強大的可編程算術邏輯單元，用戶可以靈活地組合設計，滿足復雜工藝的控制要求；多種頻率給定方式：基本操作面板、通訊設置、多段頻率設置、MOP給定、模擬給定等。
2. 紙機的電氣控制
2.1紙機速度控制
由于各分部傳送著生產過程中的紙張，根據造紙工藝的要求，保持后一級張力略大于前一級，需要各分部間線速度比例協調控制，高精度、可靠地保持這個比例系數就能保證產品產量、質量。同時，紙機的這種速度比例協調關系應在改變車速或停機后重新開機繼續(xù)保持，不需重新調節(jié)。各分部獨立控制，且具有靈敏的微升.微降及繃緊等調節(jié)功能，便于操作調節(jié)與前后兩分部間的速差，避免紙張在傳送過程中的過度松弛和繃緊斷紙現象，其關系式如下：
式中： 為第i級的轉速； 為第i級與前一級的速比； 為第i級的微調量。
在紙機控制中，采用USS協議通訊結合PLC程序來完成速度鏈的控制，便于實現變頻器給定的數字化控制，避免了模擬控制器速度鏈給定環(huán)節(jié)的信號漂移，提高了穩(wěn)定性。
本例中的紙機主要生產包裝用紙，對速度的穩(wěn)定性及動態(tài)響應有較高的要求。由于SB80工程型變頻器具有良好的矢量控制特性，較高的頻率給定分辨率和輸出頻率精度，很高的靜態(tài)和動態(tài)的控制精度，可以滿足連續(xù)、高效生產應用的需求。
2.2主從負荷分配控制
在造紙傳動控制中多個傳動點帶動一塊網布或多個傳動對象,相互施壓合成一定力矩且同步運轉的情況,要使各關聯傳動電機根據各自的配置按比例合理承擔功率輸出,需采用負荷分配控制形式,如果負荷分配調節(jié)不好，將會造成整個負荷環(huán)路各傳動點負載失衡,線速不同步，無法正常運行.負荷分配控制如圖2所示。在本例中，網部的復壓下輥作為主傳動，真空壓榨為輔傳動。主傳動采用基本的速度控制方式，從傳動采用負荷分配控制。在從機控制中，運用SB80內部PID修正頻率主給定，以主傳動的轉矩輸出作為從機PID給定值，從傳動的轉矩輸出經低通濾波后作為PID反饋值。為了提高控制精度，可以調節(jié)PID給定量和反饋量的增益，如200％。這樣做保證了控制精度，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖2. 負荷分配控制

3. 調試和系統(tǒng)參數設置
3.1 RS-485接線
1) 使用屏蔽雙絞線，屏蔽層浮地，避免干擾從地線引入；
2) 利用屏蔽線的屏蔽層構成通訊的低阻信號回路，僅對高阻型共模干擾有效；
3) 電機和變頻器可靠接地，減少電機對變頻器的干擾；
4) 變頻器的GND、PE接線不要形成環(huán)路。

圖3. 基本接線接地圖

3.2 各變頻器參數設置
表1. 各變頻器基本的參數設置表

表2. 負荷分配的從機參數設定表(本例中真空壓榨機為輔傳動)

需要注意的是主控板上的AI1、AO1、AO2跳線要改成電流型.

圖4 森蘭SB80現場安裝圖

        通過一段時間的生產運行驗證，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，調節(jié)控制靈活自如。我們在1#、3#大缸及卷紙傳動分部試改裝置西門子MM440變頻器做兼容USS通訊協議混合通訊控制運行。結果證明，在一般應用上完全可以兼容混合使用。
4. 結論
1) SB80變頻器高性能的矢量控制，實現了負荷分配，克服紙機由于工藝參數的變化引起的速度波動，保證紙機速度的穩(wěn)定性；
2) SB80強大的通訊功能，可以方便地與西門子PLC組網、與上位機通訊等；
3) 本例提供了變頻器及PLC組網在造紙行業(yè)內的應用實例，使得國內更多的中小型造紙企業(yè)可以實現節(jié)能的變頻控制。
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