造纸传动系统电气自动化及变频调速控制应用研究
2024-05-13黄开森
黄开森
(联盛浆纸(漳州)有限公司维修部,福建 漳州 363000)
该系统研究的是全方位多学科及信息技术的相互融合,主要包括工艺特性、软硬件技术设计、理论技术、自动化及通信技术等领域。通过对传动系统的深入研究和应用,是实现造纸传动自动化及行业发展的必然趋势,也是未来的重要发展方向。
1 造纸设备与传动技术要求
1.1 工艺设备简单介绍
造纸设备主要包括原料准备、制浆、造纸、直到制成卷筒或平张成品,以及加工纸和纸板的机械等。其中造纸机纸浆形成纸幅的分部联动全套设备,包括流浆箱、网部、压榨部、烘干部、施胶机、压光机、卷取部和传动设备等主机以及汽、水、真空、润滑、热回收等辅助系统。其中形成湿纸幅的网部是造纸机的核心,所以造纸机按网部的结构又可分为长网机、夹网机、圆网机、叠网机和带有饰面辊等形式结构。
1.2 自动化控制对传动系统的要求及应用
基本要求为以下几点:(1)工作速度调节范围要求较宽且均匀,可适应不同纸种、定量的生产需要,调节范围在i=1:10。(2)具备一定的稳态和动态响应精度,其精度分别为±0.01%~0.02%,0.05%~0.1%。(3)爬行速度:为便于清洗检查网毯、以及检查各部设备运行情况,各分部应具备15~30m/min分可调的爬行速度。(4)各传动点间速比可调、稳定。为了纸机能够生产出良好的纸幅和提高纸机稳定生产效率,纸机各传动点的速度必须是可调、稳定,各分部传动点的调速范围为±8%~10%。
2 变频调速控制系统优异性及控制方式
变频调速技术在工业生产中越来越受到重视,其在机械传动系统中的应用已经成为现代工业生产的一个重要环节。相比传统的电阻调速、直流调速和电压调速,变频调速采用V/F、矢量控制(VC)、直接转矩控制(DTC)等方式,具备有高稳态精度和动态响应。
2.1 变频调速具有的特点
(1)效率高、平滑性好,启动电流小,低速时静关率高,对电网和系统无冲击,节能效果突出。(2)调速范围较宽,精度高,可实现软启动及快速制动。(3)能够扩大容量,实现高转速和高电压运行。(4)体积小及结构简单、维修方便和惯量小且耐用。(5)恒转矩调速时低段速电机的过负荷能力低。
2.2 变频系统的控制方式
纸机变频传动系统是一种转速、负载要求基本恒定的控制系统,从特性上其可分为三种基本控制方式:转矩、张力、速度,并要求调速稳定和动态响应时间短,其主要控制方式如下:(1)转矩控制是指同一张网子的传动点间、上下压榨辊间及多电机传动组间的负荷分配控制。①负荷平衡控制的本质:在传动系统中,2台或者2台以上电机,同时带动同一个负载,使得2台(或者多台)电机出力相同,即电机的输出转矩相同,最后驱动负载稳定运行的控制方法。②控制原理是利用两辊闭合信号的切入,在从动点的给定速度通道上叠加2%左右的调节量,引用主传动转矩输出作为从传动转矩限幅控制;如果两辊分离则切除从动点的转矩控制,变成闭环速度控制。③负荷平衡的机械耦合形式:刚性连接(提升机、直连),齿轮啮合(回转机构、减速机),柔性连接(皮带机、网子拖动)。(2)张力分为直接和间接张力2种控制方式,主要通过调整分部速度来调节纸幅的张力大小,根据工艺现场需求在施胶和压光前安装张力检测传感器,PLC根据张力的检测实际值做PID控制,其输出作为其后传动电机的微调速度值,从而确保纸页的张力稳定性。(3)速度控制是利用编码器信号反馈进行速度闭环控制,分为两种形式:①主速度控制是用来调节整机速度,比如,网部的驱网辊常用此方式控制;②速差控制,比如,烘缸组间,是在速度给定通道上增加一个速差给定值,通常在操作面板上进行人工操作调节。
3 浆纸变频传动应用案例分析
3.1 工艺简介
造纸浆纸的苛化及水泥厂都有石灰回转窑,回转窑中铺耐火砖,回转窑在不断地旋转,石灰石在窑炉中进行加热处理,控制回转窑旋转的电机一般为2台;若是采用一套S120控制2台电机,该方案的主从控制比较容易实现;考虑性价比本案采用2台G130变频器控制2台回转窑电机,通过齿轮实现刚性连接,电机之间作主从控制。
3.2 项目配置
回转窑2台电机配置:690V,400kW,993rpm;不带编码器;2台G130变频器分别控制两台电机,变频器为690V450KW;2台变频器之间通过CBE20,采用SINAMIC LINK进行通讯;s7-400/DCS通过Profibus进行控制。
3.2.1 驱动组态
(1)配置master、slave变频器正常组态,并对电机进行静态与动态识别,注意在调试过程中必须将联轴器脱开,确认电机的转向正确。
(2)SINAMICS LINK配置。
①SINAMICS Link的基本规则。利用安装CBE20控制板,sinamics Link 可实现多个(CU320-2 DP控制单元)间的直接数据交换,并可实现以下几种应用:一是物料线的驱动连接负荷分配;二是多个传动装置设定值的层叠;三是整流单元间的主/从控制功能;四是多个驱动装置的转矩分配。
sinamics S120及DC-master的连接以及数据的接收和发送。
惯用的节点包含带有CU连接的驱动对象(DO)和控制单元,sinamics link的报文为16个固定的过程数据空间(pzd),每个pzd的字节长度为一个,没有需要的部分就填零表示。
图1
每个节点发送一组16个pzd的报文,可接收或发送单字/双字,一个驱动单元在每个连接的其他DO处,最多只可接收16个pzd,双字须为2个连续的pzds。当使用sinamics link通讯 时,传送时间可为3.0ms(一个周期最大0.5ms,总线周期2.0ms)。
②拓扑的结构。1)连续性编号,期间不允许有间隔。2)将不相同的节点编号录入参数P8836[0...63] 中。3)配置通讯时,特殊节点的站名称及IP地址,经过分配的编号节点被自动设置同时不可被修改。(169.254.123.001~169.254.123.064、SINAMICSxLINKx001~SINAMICSxLINKx064)。d连接CBE20时他的端口使用要求,按照n节点的Port2(P2)一直与n+1节点的Port1(P1)相连接。e同步主的通讯节点链接编号自动被分配为1。
③调试及配置过程。当调试测试时,控制单元需要进行以下设置:1)将参数设置成P8835=3(sinamics Link);2)利用参数P8836,将节点分配的编号(第一单元分配编号为1),节点编号是0则表示sinamics Link 被关闭;3)最后来执行掉电后的再上电。
数据发送过程:1)对每一个驱动对象,在参数P8871中,参数分配发送到其节点的槽中,对于双字的(如Pzd 2+3)被分配到连续两个传送槽,如P8871[2] =3,P8871[1] =2。2)对每个驱动对象,在参数P2051[x] 中传送的数据(Pzds)被指定,送传双字的要在P2061[x] 中指定。
接收数据过程如下:1)控制字是数据接收的第一个字,他的Bit 10要为1,如果不是则设置P2037=2不激活Bit 10的评价。2)相关Pzd节点地址被读取他定义在参数P8872[0…15] 当中(0表示不读取)。3)在参数R2050[X] 和R2060[X] 中表示数据接收被存贮值。d从报文发送中读取哪个Pzd数据并被存贮在其自已的服务槽中,用参数P8870[0…15] 来定义,R2060用于双字Pzd或R2050用于Pzd(0表示无选择的Pzd)。
读取两个Pzd针对于双字,如果读1个32Bit的设定值,那么位于节点5的Pzd 2+3要设置以下参数P8872[2] =5、P8870[2] =3、P8872[1] =5、P8870[1] =2。sinamics Link连接的激活,要对所有的节点进行掉电,之后再进行上电,如果不执行掉电再上电,则2061[X] 和P2051[X] 的分配及参数读取,参数2060[X] 和R2050[X] 的链接会被改变分配。
3.2.2 本案实际配置,主站速度模式,从站力矩模式
A.SINAMICS LINK配置
主站配置:P8835=3(SINAMICS LINK),P8836=1(主站账号)
P8839.0=2;通讯板,P8839.1=1控制单元通讯口。
P8872.0=2;P8872.1=2接收数据站点。
P8871.0=1;P8871.1=2接收数据顺序号。
P2050.0=r898;控制字状态,P2050.1=r79转矩设定值。
从站配置:P8835=3(SINAMICS LINK),P8836=2(从站账号)
P8839.0=2;通讯板,P8839.1=1 控制单元通讯口
P8872.0=1;P8872.1=1 接收数据站点
P8871.0=1;P8871.1=2 接收数据顺序号
P2050.0=r899 状态字,P2050.1=r80 转矩实际值
B.DCS中Profibus控制设置
主站配置:P0840=8890.0 IF2通讯口,P1070=8850.1 IF2通讯口
P8851.0=2089 ,P8851.1=r63.1,P8851.2=r68.1
P8851.3=r80.1,P8851.4=r82.1,P8851.5=r2131
从站配置:P0840=2090.0 (SINAMICS LINK)
P1503=2050.1 (转矩设定值),P8851.0=2089
P8851.1=r63.1,P8851.2=r68.1,P8851.3=r80.1
P8851.4=r82.1,P8851.5=r2131
P8812.0=0关闭等时同步模式
项目测试:运行变频器对速度、电流进行trace,变频器运行平稳;主从方式还可以通过TM31进行数据传输,也可以完成相应的功能;主站CU P2051.0=vector.r899,从站vector.p0840=CU 2090.2,从站P2144=1;不检测堵转。
本案采用西门子G130系列变频传动,通过S7-400系列PLC控制下,变频器驱动回转窑电机,旋转后通过减速机减速,经齿轮实现了刚性连接带动负载传动点,以Win CC监控操作软件为平台,建立了具有比较完善的自控功能,并对系统的可操作性进行了优化分析。
4 结语
本文结合传动控制案例,重点阐述了变频传动控制方式及自动化系统软件设置要求,通过系统设计优化可以很好地对传动点进行主从控制、负荷分配,同时可以对线速度以及负载电流、电压等进行有效的监控与控制,这对提高传动的自动化程度、操作的灵活性以及提高生产稳定性具有非常重要的作用。