紡織
變頻器在300米高速涂布機的應(yīng)用
2016-05-12
1、概述
涂布行業(yè)與紙業(yè)行業(yè)以其傳動點多、同步性要求高、連續(xù)化生產(chǎn)的特點，與冶金行業(yè)一起被稱為自動化控制要求最高的行業(yè)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流傳動系統(tǒng)在造紙行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，高性能、矢量控制型變頻器的出現(xiàn)，使得過去需要由直流雙閉環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)的傳動控制，完全可以由交流傳動系統(tǒng)來完成。為了滿足不同類型的紙張生產(chǎn)和提高勞動生產(chǎn)率的需要，要求造紙生產(chǎn)線向高速化、全自動化方向發(fā)展，工業(yè)控制器（PLC）和現(xiàn)場總線越來越多地應(yīng)用在造紙行業(yè)。
我公司在紙機傳動方面經(jīng)多年實踐，已有豐富的經(jīng)驗。矢量控制型變頻器和S7-200 PLC組成的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，完美地實現(xiàn)了整條生產(chǎn)線的控制，系統(tǒng)具有響應(yīng)時間快、接線較少、故障率低、維修量小及維修方便等諸多優(yōu)點，所以即節(jié)約了資金，又減輕了工人的勞動強度。
2、項目概況
(1)設(shè)計基礎(chǔ)
在確保本技術(shù)規(guī)范書相關(guān)技術(shù)要求的前提下，我公司發(fā)揮自身軟件（用戶程序）設(shè)計的優(yōu)勢，采用先進、成熟的電力電子部、套件，優(yōu)化組態(tài)整合，使所提供的電氣控制系統(tǒng)不但能夠完全滿足紙機正常連續(xù)生產(chǎn)所提出的工藝要求，而且在保證控制精度的前提下，具有高穩(wěn)定性、高可靠性、便于操作和易于維護等特點。
供電方式： 三相四線交流電
供電電壓： 380VAC/50Hz
電壓變化： ±10％
頻率變化： ±2％
相位不平衡： ±2％
轉(zhuǎn)矩變化： ±20％
氣溫范圍： －0℃~40℃
平衡相對適度：90％
海拔高度： <1000M
（2）紙機技術(shù)數(shù)據(jù)
紙 種 熱敏紙
原紙定量 40~60g/m22
原紙幅寬 1400mm
輥面寬 1600mm
原紙濕度 7%
工作車速 250m/min
設(shè)計車速 300m/min
平衡車速 350m/min
爬行車速 20m/min
電源電壓 380/50 V/Hz
控制電壓 220/50 V/Hz
控制電壓 24VDC
壓縮空氣壓力 0.6 MPa
干燥器蒸汽壓力 < 0.7 MPa
總裝機量 kw
一段涂布量 5~8 g/m2
一段固含量 45~50%
二段涂布量 3~5 g/m2
二段固含量 25~30%
整機排列方式 待定
產(chǎn)品油漆顏色 由客戶提供色
（3）紙機主傳動部分參數(shù)
退紙旋轉(zhuǎn) 2.2KW 輔助退紙傳動點
助動輥 4KW 輔助退紙傳動點
涂布器背輥 7.5KWx2 主傳動
涂布器料輥 1.5KWx2 輔助傳動點
膠輥牽引 5.5KW φ500輥主傳動
背涂輥 4kw 主傳動
調(diào)態(tài)缸 11KW 主傳動
二輥壓光輥 7.5KW 主傳動
卷紙傳動 5.5KW 主傳動
3、系統(tǒng)方案
（1） 傳動形式：全數(shù)字交流變頻調(diào)速
（2） 控制方式：二級控制系統(tǒng)
2.1第一級：采用偉創(chuàng)公司AC80B系列高性能矢量變頻構(gòu)成：進線柜、變頻柜
2.1.1進線柜
l 斷路器采用框架式、三斷保護
l 進線方式：上進線、母排連接
l 實現(xiàn)變頻單元和電網(wǎng)的隔離、保護、接地
l 系統(tǒng)構(gòu)成：斷路器，公用控制回路、電流、電壓檢測、銅排母線等。
l 防護等級：IP20
2.1.2變頻柜
l 通過斷路器與交流母排相連接，將交流母線上的交流電調(diào)制成頻率可調(diào)、可控的三相交流電，然后驅(qū)動交流電機進行調(diào)整運轉(zhuǎn)
l 速度反饋模板：采用脈沖檢測器測量電機的轉(zhuǎn)速，信號經(jīng)過速度反饋模板的轉(zhuǎn)換后，輸入變頻器中，實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制
l 通訊接口：內(nèi)置的MODBUS模塊，與PLC控制系統(tǒng)以MODBUS方式進行通訊
l 系統(tǒng)構(gòu)成：變頻器、通訊模板、速度反饋模板、斷路器、電機風(fēng)機供電及保護等設(shè)備。
2.1.3控制任務(wù)
速度閉環(huán)控制、轉(zhuǎn)矩控制、電流控制、啟動環(huán)節(jié)、過流過壓保護控制、工藝調(diào)節(jié)控制、故障檢測和保護等。
2.2第二級：PLC控制中心、操作臺
2.21PLC
l 采用SIEMENS S7-200系列的cpu226可編程，用于對變頻單元的控制，采用PLC給定主速度+PID的控制方式，更好的控制涂布的張力和速度。
l PLC作為主站，變頻器作為從站，主要實現(xiàn)對變頻器的起動、停止、爬行、運行、微升、微降、速度鏈和負(fù)荷分配等功能的控制
l 主要任務(wù)：通訊控制、速度同步控制、起動/停止、爬行/運行控制、微升/微降控制、單動、聯(lián)動、正點、反點控制、力矩分配控制、張力控制、連鎖控制及附機控制等
l 系統(tǒng)構(gòu)成：CPU226、控制電源等
2.2.2操作臺：
l 樣式：斜面式
l 操作臺設(shè)有急停開關(guān)，用于緊急事故時的停車
l 控制功能：停止、爬行、運行、微升、微降、繃緊
l 系統(tǒng)功能：急停按鈕、開機按鈕、等
（3）系統(tǒng)簡介
加工紙生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和涂布加工紙設(shè)備的更新，在涂布生產(chǎn)過程中對運行在各生產(chǎn)設(shè)備間的紙張張力進行檢測和控制是提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的一項重要技術(shù)措施。所以在涂布機的機電性能的控制中，關(guān)鍵是對涂布機系統(tǒng)的張力進行控制。因為張力的大小，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量：張力太大，會破壞涂布紙張的物理特性，影響紙張的的使用壽命和質(zhì)量；張力太小，收卷過松，走紙不平穩(wěn)，又會影響后續(xù)工序的產(chǎn)品質(zhì)量。
放卷采用AC90放卷專用開環(huán)矢量變頻器獨立控制，自動跟蹤加工紙張的張力，并且自動換卷，控制放卷速度，保持張力恒定，省去以前繁瑣的擺桿機械，使得放卷機構(gòu)更加的簡單，從而節(jié)省了一定的成本。（此部分外協(xié)）
中間各級加工環(huán)節(jié)采用AC80B開環(huán)高性能矢量變頻器，控制方式采用主信號和微調(diào)信號按設(shè)定比例疊加進行比例聯(lián)動控制；在中間涂布器驅(qū)動的地方我們采用主輔頻率疊加方式（主頻率+PID微調(diào)）的方式控制，大大的增加了同步精度。
收卷時卷徑變化范圍較大，要求的轉(zhuǎn)矩變化范圍大，而在最小轉(zhuǎn)矩時所需的轉(zhuǎn)矩非常小。盡管AC90系列變頻器可以實現(xiàn)張力開環(huán)控制，但是由于轉(zhuǎn)矩控制精度畢竟不高，難以實現(xiàn)低轉(zhuǎn)矩控制，可以采用速度模式下的張力閉環(huán)控制。所以收卷選用AC90收卷專用開環(huán)矢量變頻器。AC90輸出頻率f=f主+fPID，同步前饋速度，PID（ID微調(diào)輸出量），頻率指令由PID輸出調(diào)節(jié)量和主速度前饋疊加而成，避免由于轉(zhuǎn)矩變化范圍過大而造成的不易控制的局面。
（4）系統(tǒng)優(yōu)勢
1、由變頻器完成各級張力控制，使用張力傳感器實現(xiàn)張力控制，系統(tǒng)簡單且穩(wěn)定，各級張力控制由變頻器完成，極大減少廠家工作難度，AC80B和AC90的閉環(huán)張力控制模式甚至可以在加減速過程中實現(xiàn)張力完全穩(wěn)定，用PLC 或同步控制器來控制驅(qū)動輥變頻器速度，同時作為其他變頻器的線速度信號。
2、ECF200閉環(huán)張力控制輕松實現(xiàn)加減速過程中的張力恒定，再加上安裝張力輥，同時高精度控制確保了涂布效果高度均勻。
3、雙工位收放卷具有預(yù)驅(qū)動功能和張力提升的功能，可滿足高速不停機自動換卷、提高生產(chǎn)效率的需求。錐度控制，可以方便準(zhǔn)確地控制張力錐度，使收卷效果更好，同時準(zhǔn)確的收卷控制可以避免菜心式不良收卷，使收卷效果更好。
4、全系統(tǒng)的主要驅(qū)動部分均采用主輔頻率疊加方式（主頻率+PID微調(diào)）的方式控制，大大的增加了同步精度，避免累計誤差造成機械高速及大卷收卷運行時發(fā)生不可預(yù)料的局面。
4、精度指標(biāo)
速度控制：
靜態(tài)精度：≤±0.01％；動態(tài)精度：≤±0.05％
相關(guān)條件：
l 機械設(shè)備：狀況完好、操作正常；
l 反饋形式：光電編碼器反饋；
l 交流電機：普通異步電機（最好是變頻電機）
l 給定方式：全數(shù)字通訊給定
l 控制方式：速度閉環(huán)控制
l 負(fù)載波動：不超過±20%
l 電網(wǎng)波動：380V±10%
l 長期負(fù)荷率：<90%
l 運行頻率：>10Hz
l 最小負(fù)載：>1/8變頻器額定負(fù)載
l 運行環(huán)境溫度：－0℃~40℃
l 電網(wǎng)頻率范圍：50Hz±3%
l 電機運行方式：恒轉(zhuǎn)矩
負(fù)荷控制：
靜態(tài)精度：±1%；動態(tài)精度：±3%
條件：張力檢測準(zhǔn)確、紙頁與輥面無相對滑動。
過載能力：
150%/60S
靜態(tài)精度：在給定的速度上24小時運行的變化量
動態(tài)精度：傳動在升速或者降速過程中克服機械慣量、摩擦?xí)r的變化量
系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)：
l 給定分辨率：0.001Hz
l 調(diào)速范圍比：>1～10%
l 升速時間：0～600S
5、安全等級
按照DIN40050/IEC144標(biāo)準(zhǔn)，柜門和側(cè)面為IP41，柜頂部和底部為IP00，操作臺面為IP56。
6、系統(tǒng)特點
l 安裝方便：由于采用了MODBUS通訊，操作臺到控制室的電纜大大減少，所有信號的傳輸主要通過兩芯屏蔽雙絞線來完成，故安裝簡單，可大大縮短安裝及調(diào)試工期。
l 全數(shù)字通訊：精度高、抗干擾性好
l 維護方便：因為PLC、變頻器等都是高可靠性，且都是模塊化的產(chǎn)品，既使出現(xiàn)故障，替換也是非常方便，故障恢復(fù)周期短
7、功能設(shè)置
7.1速度總給定
以一級涂布器的驅(qū)動作為該機的第一個主傳動點，其速度給定作為整個紙機的總給定，其它傳動點的速度都隨著該傳動點的速度改變而改變，并以此為基礎(chǔ)根據(jù)紙機的工藝流程建立速度鏈，給定方式在網(wǎng)部的操作面板上設(shè)計專用的總給定畫面，采用數(shù)字直接線速度給定。
7.2起停控制
控制各個傳動點的開停機，只對自己分部、傳動組進行獨立控制，不影響其它傳動點。并且為了減少對設(shè)備起停時的沖擊，在起動過程中還設(shè)置了S曲線環(huán)節(jié)過程，速度按照給定的速度上升曲線升速，同時速度環(huán)、電流環(huán)封鎖信號取消，投入運行；當(dāng)操作員按停止按鈕時，設(shè)備可按自由停車，也可按給定的下降曲線停車，到達零速后速度環(huán)、電流環(huán)封鎖，以防誤動作。
7.3爬行/運行控制
當(dāng)設(shè)備檢修、引紙之前的烘缸預(yù)熱、設(shè)備沖洗時，系統(tǒng)要求低速運轉(zhuǎn)，當(dāng)一切均正常后才切換到高速運行。爬行功能開關(guān)在爬行位置時，紙機就按照爬行速度運行，爬行速度一般為20～30m/min的速度；當(dāng)引紙時，開關(guān)切換到運行位置，紙機按給定的運行速度運轉(zhuǎn)，此時紙機就會自動從爬行速度切換到運行速度，在爬行和運行速度之間變化時，系統(tǒng)按照一定的S曲線時間動作
7.4速差調(diào)整控制
根據(jù)工藝流程要求，各個分部之間的速差需要保持一定的速度，并且生產(chǎn)不同紙種時速差也有所不同，微升、微降就是用于各個分部的速度進行微調(diào)，使的傳動點前后之間的速差能滿足生產(chǎn)工藝的要求。微調(diào)范圍一般設(shè)計在±10%～±15%（相對給定速度），在該范圍能滿足絕大多數(shù)系統(tǒng)的要求，特殊的情況在現(xiàn)場可進行具體的調(diào)整。調(diào)整好以后的速差具有記憶功能，在下次開機時能自動調(diào)用上次停機時調(diào)好的速差。
7.5點動（正向點動和反向點動）
用于方便設(shè)備檢修、清理斷紙、套毛布或套引紙繩等情況下，都需要設(shè)備轉(zhuǎn)動一個角度。在該情況時，當(dāng)按下點動按鈕時，設(shè)備按點動速度運行，放開點動按鈕時，設(shè)備停止運行，通常情況在正常運行狀態(tài)下禁止使用。
7.6緊急停車
主要用于要求處理突發(fā)事件時的全線停車。當(dāng)按下該按鈕時，紙機全線停車且傳動系統(tǒng)的總電源被切斷。以保護設(shè)備和人身安全。
7.7力矩控制（負(fù)荷分配）
在紙機的網(wǎng)部、壓榨部等處通常是一主多輔的傳動組，即一臺設(shè)備的負(fù)荷由多臺電機共同承擔(dān)，這樣在傳動組間，即要保證各個傳動的速度穩(wěn)定，還得保證各個傳動分擔(dān)的負(fù)荷均勻，這樣才能保證整個傳動組的正常工作，否則就會發(fā)生被拖電機工作在發(fā)電狀態(tài)而造成直流回路電壓升高，工作于電動狀態(tài)的電機有余負(fù)荷過載而燒壞變頻器，同時對設(shè)備也不利，嚴(yán)重時會造成損壞。因此根據(jù)傳動組間各個傳動的關(guān)系，一般設(shè)立一個主傳動，用它來控制速度，其余傳動點作為輔助傳動，對其進行負(fù)荷分配，各個之間按照一定的比例分擔(dān)負(fù)荷。
7.8繃緊功能
在紙機的某些開放引紙段，由于前后之間的距離較大，在引紙時可能紙頁下垂較大，通常的操作是通過微升后一個傳動點的速度讓紙頁拉直，然后在通過微降將速度調(diào)整回原來的速度，這樣操作非常煩瑣，且調(diào)整周期長，容易改變原來的同步特性。通過繃緊功能就可以很好的解決此問題。當(dāng)按住繃緊按鈕時，速度會快速在原來的基礎(chǔ)上有一個快速的提升，紙頁迅速拉直。松開繃緊按鈕時，速度快速回到原來的速度，這樣即能方便引紙操作，又不改變原來的同步關(guān)系。
7.9張力控制
在紙機的某些分部，既要保證紙張有一定的張力，又不能斷線；因此在本系統(tǒng)中對三烘和卷紙進行了張力控制。將張力信號（間接張力或直接張力）介入PLC，從而實現(xiàn)張力閉環(huán)控制，保證良好的操紙質(zhì)量，減少斷紙，提高成紙率。
7.10輔機連鎖控制
涂布機具有各種輔機控制，不同的輔機要求有不同的運行條件。為了保證輔機和紙機的連鎖運行，通常在主機傳動部分?jǐn)U展PLC接口模塊，實現(xiàn)相互的連鎖。
8、系統(tǒng)單元設(shè)備簡介
8.1
AC80B系列變頻器
AC80B系列傳動產(chǎn)品最大的優(yōu)點就是全功率范圍內(nèi)統(tǒng)一使用了相同的控制技術(shù)。
l AC80B的核心技術(shù)就是直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）。它是目前最先進的交流異步電機的控制方式。DTC穩(wěn)定杰出的性能，使AC80B傳動產(chǎn)品適用于各種工業(yè)領(lǐng)域。
l 偉創(chuàng)交流傳動持續(xù)不斷的在完善用戶界面。啟動向?qū)У膽?yīng)用，使AC80B的調(diào)試變的非常簡便。
l 脈沖編碼器模塊不增加體積，也無需用導(dǎo)線連接。
l 低噪音冷卻風(fēng)扇功能及其優(yōu)秀的散熱和三防電路板。
8.2 S7
200MODBUS特點及系統(tǒng)構(gòu)成
用S7 -226作為第二級系統(tǒng)，它是整個控制系統(tǒng)中心，主要用于實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備運行狀況監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集及處理、速度鏈控制、爬行/運行控制、通訊控制、電氣設(shè)備開關(guān)控制及參數(shù)調(diào)整等系統(tǒng)控制功能。
S7 -226控制站的中央處理器模塊采用最先進的計算機技術(shù)和電子集成電路，模塊體積小巧，但功能強大，是中小型系統(tǒng)理想產(chǎn)品。通過串口與裝有Step7的計算機連接可進行編程、調(diào)試、診斷等，通過MODBUS接口可與支持此協(xié)議的從站組成現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)。作為主站時可對驅(qū)動器和現(xiàn)場操作臺HMT設(shè)備連接，實現(xiàn)相關(guān)控制。
8.3操作面板