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ABB变频器在造纸机传动系统中的设计

时间:2012-02-27 来源:www.dqjsw.com.cn 编辑:电气自动化技术网 点击:次 字体设置:
本文介绍了应用ABB ACS800 变频器设计的造纸机电气传动控制系统。通过对硬件、软件的设计———负荷分配、速度链设计等问题进行较为详细地描述,较好地实现了系统控制要求。这种基于PLC和变频器的全数字控制系统适用高速纸机的高速度、高可靠性控制性能的需要。
   应用ABB变频器西门子PLC所组成的装置来组成造纸机的电气控制系统;其电气传动控制系统是基于S7-200 PLC控制的交流变频调速控制系统。

1 纸机对电气传动控制系统的要求

该造纸机主要的技术数据如下。

纸种:文化纸定量52~80g/m2;
最高车速:350m/min
爬行速度:<40m/min可调;
升减速时间:0.1~1000s可调;
工作电压:额定电压的±10%;
电源频率:50Hz±5%;
静态精度:≤0.1%;
频率漂移:≤0.1%;
频率分辨率:0.01Hz;
频率控制:0~50Hz;
起动转矩:额定转矩的200%;
左、右手机:右手机。

    该纸机的18个传动点,分别由18台交流电机单独拖动,每台交流电动机由ABB 全数字变频调速装置驱动,闭环控制。系统的控制采用PLC 作为控制核心,由PLC 对操作台上每一传动点的操作信号进行处理(每个传动点在操作台上都设有:速度增加、速度减少、紧纸、爬行/运行等操作按钮),并把相应的速度信号以通信的方式传送给变频器。同时,还对伏辊、驱网、吸移、真空压榨、一压、二压分别进行负荷分配控制。另外,在操作台上还显示每一传动点的车速及工作电流,并具有运行、故障指示。

   纸机正常运行对电气传动控制系统的要求基本有以下几点:

1)纸机传动系统要有一定的稳速精度和快速动态响应。其中稳态精度±(0.02~0.01)%,动态精度0.1%~0.05%;

2)工作速度要有较宽、均匀的调节范围,适应生产不同品种、定量的需要。调节范围为I=1:10之间;

3)各传动分部间速比稳定、可调。为了使纸机可以生产出良好的纸页和延长纸机正常工作时间,纸机各分部的速度必须是稳定、可调的。各分部的调速范围为±(8~10)%;

4)爬行速度。为了方便检查、清洗聚酯网、压榨毛毯以及检查各分部的运行情况,各分部应具有15~30m/min可调的爬行速度。但这样低速运转时间不宜过长,以减少无效的运行和机械磨损;

5)具有刚性或柔性连接的传动分部间,在维持速度链关系的基础上,还须具有负荷动态调整的功能,以免造成由于负荷动态转移而引起有的分部因过载而过流,有的分部因轻载而过压;

6)各分部具有微升、微降功能,应具有必要的显示功能,如线速度、电流、运行、故障信号等。相关联的分部具有单动、联动功能。

2 纸机电气传动控制系统的设计

2.1 系统硬件选择与设计

    硬件选择依据系统的控制精度、通讯速度、响应时间、高性价比、高可靠性的原则,选用SIEMENS

    S7-200 PLC 及CP 226通信处理器,作为系统主控单元,控制整个系统。

2.1.1 变频器

    变频器选用ABB 公司的ACS800 系列高性能变频器,ACS800变频器采用先进的DTC控制技术,内置直流电抗器,从而降低进线电源的高次谐波含量,最大起动转矩可达200%的电机额定转矩;ACS800 的动态转速误差,闭环时为0.05%,静态精度为0.01%。动态转矩的阶跃响应时间,闭环时达到1~5ms。可较理想地满足该机的高传动性能的需要。

2.1.2反馈与速度控制

    系统为了降低成本,选择了ABBACS800 和ACS400 混合配置。由于ACS400本身不带速度反馈接口,为了实现速度闭环控制,需另外加反馈装置。本系统选用了由陕西科技大学自行设计的脉冲频率电流变换单元,它能把测速脉冲转换为电流信号输入到变频器中去,利用变频器内部的过程控制软件实现速度变换控制。

    这种方法的缺点是对于大惯性负载,如烘缸的负载扰动超调量和动态恢复时间较长。对调整带来一定的不便,在使用中还要保持一定的工艺条件稳定。如果工艺变化频繁或波动较大时,应转入开环控制。

2.1.3继电控制

    起/停和爬行/运行控制不进PLC,一方面节省I/O接口,另外也是工艺上适应的一种设计。不论纸机大小,都要求每一传动点能独立起/ 停和爬行 / 运行操作。所以,如果进入PLC 进行连动设计,看起来自动化程度高了,但实际不实用。因为在全线开机前为了保证安全和设备的试运转,一般都采用单机起动或停止操作,这样有利于发现故障和减少事故。故障保护及指示回路同样采用继电回路设计。

2.2 系统的软件设计与功能实现

    程序模块化结构设计,各种功能以子程序结构适时调用实现;程序采用循环扫描方式对速度链上的传动点进行处理,提高程序执行效率;程序设计通用性强,并具有必要的保护功能和一定的智能性。主程序的流程如图4示。

2.2.1速度链设计

1) 速度链结构设计

    速度链结构采用二叉树数据结构算法,先对各传动点进行数学抽象,确定速度链中各传动点编号,此编号应与变频器设定的地址一致。即任一传动点由3个数据(“父子兄”或“父子弟”)确定其在速度链中的位置,填入位置寄存器相应的数值。由此可构成能满足该机正常工作需要的速度链结构。

2) 算法设计

    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,把压榨作为速度链中的主节点。该点速度即纸机的工作车速,调节其速度即调节整机车速。其它各分部点的速度由该点车速乘以相应的变比得到。由PLC 检测其它分部车速调节信号,通过进行该部增、减按纽的操作改变其速比,从而改变相应分部的车速。

2.2.2 负荷分配设计

    该纸机传动结构上有柔性联结的传动点,烘缸部和压榨部之间不仅要求速度同步还需要负载率均衡,否则会造成一个传动点由于过载而过流,而另一传动点则由于被带动而过压,影响正常抄纸,甚至可能撕坏毛布,损坏变频器、机械设备。因此这两个传动部分的传动点之间需要负荷分配自动控制。

    负荷分配工作原理:假设P1e、P2e为两台电机额定功率,Pe为额定总负载功率,Pe= P1e+P2e。P为实际总负载功率,P1、P2为电机实际负载功率,则P=P1+P2。系统工作要求P1=P×P1e/Pe,P2=P×P2e/Pe,两个值相差≤3%。

   由于电机功率是个间接量控制。实际控制以电机定子转矩代替电机功率进行计算。

    PLC 采样各分部电机的转矩,计算每一组的总负荷转矩,根据总负荷转矩计算负载平衡时的期望转矩值。计算平均负荷转矩方法如下式(1)所示:

    M= Pe1×Mi1+Pe2×Mi2 Pe1+Pe2    (1)

其中ML1、ML2是压榨、烘缺电机实际输出转矩;
P1e、P2e是压榨、烘缸台电机额定功率;
M为负荷平均期望转矩。

    PLC 通过Modbus 总线得到电机转矩,利用上述原理再施以PID算法,调节变频器的输出,使两电机转矩百分比一致、即完成负荷自动分配的目标。

    设置最大限幅值,如果负荷偏差超过该设定值,要停机处理,以防机械、电气损害发生。负荷分配控制实现的前提是合理的速度链结构,使负荷分配的传动点组处于子链结构上,该部负荷调整时,不影响其它的传动点,因此速度链结构是采用主链与子链相结合的形式。

2.3辅助控制的机、电、液一体化设计

    辅助部分的机、电、液一体化、连锁及保护、卷纸机自动换卷控制、稀油站润滑系统等辅助电气系统协调工作,以保证系统正常运行和设备安全。


3 系统调试

    本系统的调试分为三部分。一个是继电回路调试,另外是软件调试、负荷分配调试及速度测试等。以下简要介绍后两个问题的调试方法。

3.1 软件调试

    软件调试第一步,验证PLC 动作是否正常,可以在连通整个系统的情况下观察变频器的显示频率进行验证。如在I/O 端口上加上开关信号,观察应当动作的变频器单元,看是否按要求对频率进行了调整。第二步,试验负荷分配的动作,方向是否与设计一致。可以在端子上加信号使电流增加或减少,如果按计算,相应的传动点频率变化则表示正常。最后检查通讯的可靠性,可以从变频器上读出通讯的错误率代码,做必要的线路处理。

3.2系统动作时间测试

    将系统的第一级、中间一级和最后一级接上速度表,然后以各点的加/减速按钮来检查频率变化情况。当按下按钮后应没有明显的滞后感,否则应检查程序和硬件线路,如前面所提到的,采用I/O 端扫描,其速度反应在最坏情况下应在数百ms 以内,否则会感到操作不方便。

4 结语

    该纸机在山东一造纸厂经过近一年多的实际纸机运行验证,系统的稳速精度、动态响应、负荷分配效果、纸页质量、系统稳定性、可靠性等指标都得到了用户的肯定。实践表明,这种基于ABB变频器和S7-200PLC 的纸机传动控制系统是可行的、合理的。

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