基于PROFIBUS的紙機(jī)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

馬文明

(西京學(xué)院,陜西西安,710123)

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基于PROFIBUS的紙機(jī)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

馬文明

(西京學(xué)院,陜西西安,710123)

針對(duì)紙機(jī)變頻傳動(dòng)控制存在的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了以PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線為通信方式、PLC為總控制器、操作屏為人機(jī)界面、ACS800變頻器為傳動(dòng)單元的紙機(jī)變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)中的PROFIBUS硬件組態(tài)方法、速度鏈設(shè)計(jì)、負(fù)荷分配等進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明,在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

PROFIBUS；紙機(jī)傳動(dòng)；負(fù)荷分配

(E-mail: 987746606@qq.com)

紙機(jī)變頻傳動(dòng)存在的問(wèn)題主要有3個(gè)方面：①紙機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中某些傳動(dòng)點(diǎn)負(fù)載不穩(wěn)且震蕩,速度呈波浪式波動(dòng),容易斷紙；②沒(méi)有將網(wǎng)部真空度參數(shù)、干燥部蒸汽壓力參數(shù)、液壓站壓力參數(shù)、毛毯跑偏、斷紙信號(hào)等影響生產(chǎn)運(yùn)行的因素設(shè)計(jì)到紙機(jī)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)中；③某些紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)還采用模擬量輸出信號(hào)進(jìn)行速度給定,信號(hào)干擾較大,不能達(dá)到精確控制的目的[1]。對(duì)于以上存在的問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了基于PROFIBUS通信的紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行深入研究和程序改進(jìn)，并將改進(jìn)的紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用于廣東潮州某造紙廠紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)和江西吉安某造紙廠紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。文章對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。

1　PROFIBUS簡(jiǎn)介

PROFIBUS是西門(mén)子公司提出的一個(gè)高層次工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，它既適合有高速時(shí)間要求的數(shù)據(jù)傳輸,也可用于大范圍的復(fù)雜通信場(chǎng)合,現(xiàn)在已發(fā)展成一種開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)(德標(biāo)DIN19245和歐標(biāo)PREN50170)。按應(yīng)用范圍有3種主要模塊,即PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP和PRFIBUS-PA。它們均使用單一的總線存取協(xié)議,通過(guò)OSI參考模型的第2層實(shí)現(xiàn)包括數(shù)據(jù)的可靠性以及傳輸協(xié)議和報(bào)文處理[1]。

PROFIBUS-DP經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信連接,專為設(shè)備級(jí)分散I/O之間通信設(shè)計(jì),用于設(shè)備級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳送,中央控制器通過(guò)高速串行線同分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如I/O、驅(qū)動(dòng)器、閥門(mén)等)進(jìn)行通信,多數(shù)數(shù)據(jù)交換是周期性的,除此之外,智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備還需要非周期性通信,以進(jìn)行配置、診斷和報(bào)警處理。使用PROFIBUS-DP模塊可取代價(jià)格昂貴的數(shù)字或模擬信號(hào)線,用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸[1-2]。

2　變頻傳動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)以廣東潮州某紙廠項(xiàng)目為例,按照客戶設(shè)計(jì)方案及工藝設(shè)計(jì)要求,紙機(jī)幅寬4400 mm,設(shè)計(jì)車速500 m/min。紙機(jī)傳動(dòng)點(diǎn)設(shè)計(jì)個(gè)數(shù)為18組,系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)容量1800 kW。傳動(dòng)點(diǎn)名稱及電機(jī)容量如表1所示。

表1　傳動(dòng)點(diǎn)名稱及電機(jī)容量

根據(jù)客戶要求及控制方案的綜合對(duì)比,采用CPU315-2PN/DP作為變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的總控制器,MPI/DP接口作為PROFIBUS-DP系統(tǒng)的通信接口,西門(mén)子KTP1000操作屏作為現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面,采用ABB公司的ACS800變頻器作為各傳動(dòng)單元,變頻器的通信模塊選用RPBA網(wǎng)絡(luò)適配器?？偪刂破髋c各傳動(dòng)單元之間采用PROFIBUS-DP進(jìn)行通信,上位機(jī)、人機(jī)界面與PLC之間采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信。使用西門(mén)子公司研發(fā)的STEP7編程軟件對(duì)紙機(jī)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行軟件通信組態(tài)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。紙機(jī)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　紙機(jī)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2.2可編程控制器的硬件接線

為了提高造紙生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度,對(duì)影響造紙生產(chǎn)線的安全參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)控和在線修改,增加紙機(jī)聯(lián)鎖控制,因此本系統(tǒng)可編程控制器擴(kuò)展模塊數(shù)字輸入32點(diǎn)、數(shù)字輸出32點(diǎn)。硬件接線設(shè)計(jì)數(shù)字量輸入如圖2所示。數(shù)字量輸出接線如圖3所示。

2.3ACS800變頻器硬件接線

根據(jù)紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,18組傳動(dòng)點(diǎn)變頻器接線大致相同,如圖4所示。

ACS800變頻器的硬件接線包括電機(jī)線、電機(jī)風(fēng)機(jī)線、測(cè)速編碼器、變頻器的急?？刂贫俗印ROFIBUS通信等接線。ACS800變頻器的主電源輸入來(lái)自變頻傳動(dòng)系統(tǒng)DSU整流柜,本系統(tǒng)使用DSU整流柜供電可避免觸發(fā)脈沖給周圍電氣設(shè)備帶來(lái)的諧波干擾,使設(shè)備正常工作。

3　變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

3.1控制系統(tǒng)硬件組態(tài)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)人機(jī)界面、上位機(jī)和PLC之間采用EtherNet/IP進(jìn)行通信；各傳動(dòng)單元和PLC之間采用PROFIBUS-DP進(jìn)行通信。下面重點(diǎn)介紹PROFIBUS-DP通信硬件組態(tài),使用SIMATIC編程軟件進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)。軟件組態(tài)設(shè)計(jì)分為3個(gè)步驟。

第一步：打開(kāi)SIMATIC Manager軟件,新建工程項(xiàng)目,新建成功后在項(xiàng)目里添加SIMATIC 300站點(diǎn),站點(diǎn)里將出現(xiàn)“硬件”選項(xiàng)。點(diǎn)擊“硬件”,HW Config窗口將打開(kāi),根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案對(duì)PLC進(jìn)行組態(tài)并建立PROFIBUS-DP主站系統(tǒng)。選擇CPU插槽的MPI/DP接口,右鍵選擇“對(duì)象屬性”打開(kāi)對(duì)話框,設(shè)置接口類型為PROFIBUS,在屬性對(duì)話框里選擇站點(diǎn)地址為3,傳輸率為187.5 kb/s,選擇好后進(jìn)行確定。 建立后的效果如圖5所示。

第二步：在PROFIBUS-DP主站系統(tǒng)中添加18個(gè)傳動(dòng)點(diǎn),在添加之前必須保證RPBA通信模塊的GSD文件已經(jīng)安裝,在右邊對(duì)話框選擇ABB Drives RPBA-01.PPO type4.進(jìn)行添加,并右鍵選擇添加從點(diǎn)的屬性,設(shè)置從點(diǎn)的地址及傳輸率，如圖6所示。

第三步：重復(fù)第二步的做法,添加每一個(gè)傳動(dòng)點(diǎn),并進(jìn)行屬性設(shè)置,確定好每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的地址,效果如圖7所示。

圖2　數(shù)字量輸入模塊接線圖

圖3　數(shù)字量輸出模塊接線圖

通過(guò)以上3個(gè)步驟,PROFIBUS-DP系統(tǒng)建立起來(lái),記錄每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的站地址,并保存編輯,完成了PROFIBUS-DP系統(tǒng)的建立。

3.2控制系統(tǒng)傳動(dòng)點(diǎn)速度鏈設(shè)計(jì)

為了達(dá)到精度高、穩(wěn)定性好、操作方便的設(shè)計(jì)要求,必須研究變頻傳動(dòng)系統(tǒng)速度鏈的控制原理。兩個(gè)相鄰傳動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)行速度應(yīng)保持一定的比例,在車速調(diào)整過(guò)程中,只影響本傳動(dòng)點(diǎn)和后面的傳動(dòng)點(diǎn),而不影響前面各傳動(dòng)點(diǎn)的速度,每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)在前一級(jí)傳動(dòng)點(diǎn)速度基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整并將速度給定信號(hào)傳送給下級(jí)傳動(dòng)點(diǎn),形成一個(gè)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu),稱為速度鏈。根據(jù)紙機(jī)傳動(dòng)控制要求,傳動(dòng)控制速度鏈精度應(yīng)在0.01%～0.04%之間,這與紙幅的伸縮率有關(guān)[3]。本變頻傳動(dòng)系統(tǒng)速度鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用二叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)法,通過(guò)此方法完成速度鏈傳遞功能。首先對(duì)各傳動(dòng)點(diǎn)控制工藝進(jìn)行分析,確定傳動(dòng)點(diǎn)在速度鏈中的具體位置和作用,然后對(duì)設(shè)計(jì)好的速度鏈中的傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行通信地址設(shè)置,并準(zhǔn)確記錄地址號(hào)碼。本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工藝情況分析,速度鏈設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8　紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)速度鏈設(shè)計(jì)

圖4　ACS800硬件接線圖

此變頻傳動(dòng)系統(tǒng)中驅(qū)網(wǎng)輥?zhàn)鳛樗俣孺溨械闹鱾鲃?dòng)點(diǎn),驅(qū)網(wǎng)輥的速度是整個(gè)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的工作車速,在變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的操作人機(jī)界面,改變驅(qū)網(wǎng)輥的運(yùn)行車速給定值,就調(diào)節(jié)了整個(gè)紙機(jī)車速。驅(qū)網(wǎng)輥的速度給定值傳送給它的兩個(gè)從點(diǎn)真空伏輥、導(dǎo)網(wǎng)輥和下一分部主點(diǎn)一壓下輥。從點(diǎn)真空伏輥和導(dǎo)網(wǎng)輥根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝情況,在人機(jī)界面通過(guò)速度微升微降K1、K2或修改傳動(dòng)比b1、b2調(diào)節(jié),達(dá)到從點(diǎn)速度調(diào)節(jié)的目的。下一分部主點(diǎn)一壓下輥得到驅(qū)網(wǎng)輥的速度值,也通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行速度微升微降K3或修改傳動(dòng)比b3調(diào)節(jié),得到一壓下輥的速度給定值。一壓下輥將速度給定值傳送到自己的兩個(gè)從點(diǎn)一壓上輥、真空吸移輥和下一分部主點(diǎn)二壓下輥。一壓上輥和真空吸移輥通過(guò)人機(jī)界面速度微升微降K4、K5或修改傳動(dòng)比b4、b5進(jìn)行調(diào)節(jié),達(dá)到從點(diǎn)速度調(diào)節(jié)的目的。依此類推,實(shí)現(xiàn)整個(gè)速度鏈的速度給定和調(diào)節(jié),構(gòu)成了速度鏈控制系統(tǒng)[3- 4]。速度鏈調(diào)節(jié)原理如圖9所示。

圖5　PROFIBUS-DP建立效果圖

圖6　PROFIBUS-DP從站設(shè)置圖

圖7　PROFIBUS-DP系統(tǒng)效果圖

圖9　速度鏈調(diào)節(jié)原理圖

圖10　負(fù)荷分配控制原理圖

3.3主從傳動(dòng)點(diǎn)負(fù)荷分配設(shè)計(jì)

在紙機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,有幾臺(tái)電機(jī)同時(shí)拖動(dòng)同一負(fù)載的現(xiàn)象,如壓榨部的一壓下輥、一壓上輥、真空吸移輥之間就形成負(fù)荷分配問(wèn)題。此變頻傳動(dòng)系統(tǒng)不能只要求速度完全同步,這樣并不能滿足工藝要求,各傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)必須出力相同,否則會(huì)出現(xiàn)傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)負(fù)載不一,有可能電動(dòng)機(jī)成為發(fā)電機(jī)的情況,影響正常抄紙,甚至有可能撕壞毛布或造成斷紙[4]。針對(duì)此問(wèn)題,必須設(shè)計(jì)傳動(dòng)點(diǎn)主點(diǎn)和從點(diǎn)負(fù)荷分配。紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的負(fù)荷分配要求系統(tǒng)速度穩(wěn)定、分配平衡、穩(wěn)定無(wú)振蕩、能夠隨時(shí)適應(yīng)負(fù)載變化。本系統(tǒng)采用PLC+變頻器二級(jí)傳動(dòng)控制方式,PLC與變頻器通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)通信,交換數(shù)據(jù)。負(fù)荷分配的設(shè)計(jì)原則是主點(diǎn)和從點(diǎn)電機(jī)的負(fù)載率相同,即δ=P/Pa相同(P為電機(jī)所承擔(dān)的負(fù)載功率,Pa為電機(jī)額定功率)[4-5]。在負(fù)荷分配調(diào)節(jié)過(guò)程中不能影響本傳動(dòng)組以外各分部的速度。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的負(fù)荷分配原理是將主點(diǎn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩反饋值通過(guò)PROFIBUS-DP通信方式傳送至PLC,可編程控制器將主點(diǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩反饋值乘以負(fù)荷工藝調(diào)準(zhǔn)系數(shù),經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的結(jié)果作為從點(diǎn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)矩限幅給定值,并且從點(diǎn)電機(jī)在運(yùn)行中的速度給定值要比主點(diǎn)電機(jī)的速度給定值略高,這樣造成從點(diǎn)電機(jī)將工作在正轉(zhuǎn)矩限幅狀態(tài),通過(guò)給定正轉(zhuǎn)矩限幅值可以達(dá)到主點(diǎn)電機(jī)和從點(diǎn)電機(jī)符合分配的效果,使主點(diǎn)和從點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩達(dá)到負(fù)荷分配的工藝,此設(shè)計(jì)方法控制精度高,工作可靠,通過(guò)實(shí)踐證明是可行的。負(fù)荷分配控制原理如圖10所示。

3.4ACS800變頻器參數(shù)設(shè)置說(shuō)明

各傳動(dòng)點(diǎn)的ACS800變頻器參數(shù)設(shè)置基本一致,主要實(shí)現(xiàn)速度控制或轉(zhuǎn)矩限幅控制,通過(guò)PROFIBUS進(jìn)行通信,達(dá)到精確控制電機(jī)的目的。以驅(qū)網(wǎng)輥為例,變頻器的參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2　變頻器的參數(shù)設(shè)置

4　結(jié)　語(yǔ)

本文針對(duì)紙機(jī)變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)存在的3個(gè)問(wèn)題,設(shè)計(jì)了基于PROFIBUS-DP通信方式的變頻傳動(dòng)系統(tǒng),此系統(tǒng)的通信響應(yīng)速度快,運(yùn)行穩(wěn)定可靠；通過(guò)硬件設(shè)計(jì)和軟件編程實(shí)現(xiàn)了紙機(jī)聯(lián)鎖控制,大大提高了傳動(dòng)控制的自動(dòng)化程度；科學(xué)合理的速度鏈設(shè)計(jì)和負(fù)荷分配設(shè)計(jì),使系統(tǒng)在運(yùn)行中速度穩(wěn)定、負(fù)載分配合理、很大程度上減少斷紙現(xiàn)象。此控制系統(tǒng)符合現(xiàn)代造紙自動(dòng)化的設(shè)計(jì)要求,在工廠實(shí)際運(yùn)行中,客戶反映良好。經(jīng)過(guò)客戶回訪調(diào)查，此控制系統(tǒng)運(yùn)行良好、能耗低、故障率低。

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(責(zé)任編輯：劉振華)

Design and Application of Variable Frequency Drive System of Paper Machine Based on PROFIBUS

MA Wen-ming

(XijingUniversity,Xi’an,ShaanxiProvince, 710123)

In order to smooth the problems of paper machine variable frequency drive, a variable frequency drive control system using PROFIBUS field bus as communication mode, PLC as controller, ACS800 converter as transmission unit was designed. PROFIBUS hardware configuration method, speed chain design, load distribution and so on was described in detail, and good results were obtained in practical application.

PROFIBUS； paper machine drive； load distribution

2015-12-21(修改稿)

西京學(xué)院院級(jí)科研基金，基金號(hào)：XJ150213。

基金項(xiàng)目：西京學(xué)院院級(jí)科研基金，基金號(hào)：XJ150213。

TP276

ADOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.07.012

收稿日期：2015-12-21(修改稿)