紡織
變頻器在300米高速涂布機(jī)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(dòng)點(diǎn)多、同步性要求高、連續(xù)化生產(chǎn)的特點(diǎn)，與冶金行業(yè)一起被稱為自動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)在造紙行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，高性能、矢量控制型變頻器的出現(xiàn)，使得過(guò)去需要由直流雙閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的傳動(dòng)控制，完全可以由交流傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)完成。為了滿足不同類型的紙張生產(chǎn)和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的需要，要求造紙生產(chǎn)線向高速化、全自動(dòng)化方向發(fā)展，工業(yè)控制器（PLC）和現(xiàn)場(chǎng)總線越來(lái)越多地應(yīng)用在造紙行業(yè)。
我公司在紙機(jī)傳動(dòng)方面經(jīng)多年實(shí)踐，已有豐富的經(jīng)驗(yàn)。矢量控制型變頻器和S7-200 PLC組成的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，完美地實(shí)現(xiàn)了整條生產(chǎn)線的控制，系統(tǒng)具有響應(yīng)時(shí)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(diǎn)，所以即節(jié)約了資金，又減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
2、項(xiàng)目概況
(1)設(shè)計(jì)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(jì)的優(yōu)勢(shì)，采用先進(jìn)、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(jī)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(hù)等特點(diǎn)。
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(duì)適度：90％
海拔高度： <1000M
（2）紙機(jī)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(jì)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(jī)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(jī)排列方式 待定
產(chǎn)品油漆顏色 由客戶提供色
（3）紙機(jī)主傳動(dòng)部分參數(shù)
退紙旋轉(zhuǎn) 2.2KW 輔助退紙傳動(dòng)點(diǎn)
助動(dòng)輥 4KW 輔助退紙傳動(dòng)點(diǎn)
涂布器背輥 7.5KWx2 主傳動(dòng)
涂布器料輥 1.5KWx2 輔助傳動(dòng)點(diǎn)
膠輥牽引 5.5KW φ500輥主傳動(dòng)
背涂輥 4kw 主傳動(dòng)
調(diào)態(tài)缸 11KW 主傳動(dòng)
二輥壓光輥 7.5KW 主傳動(dòng)
卷紙傳動(dòng) 5.5KW 主傳動(dòng)
3、系統(tǒng)方案
（1） 傳動(dòng)形式：全數(shù)字交流變頻調(diào)速
（2） 控制方式：二級(jí)控制系統(tǒng)
2.1第一級(jí)：采用偉創(chuàng)公司AC80B系列高性能矢量變頻構(gòu)成：進(jìn)線柜、變頻柜
2.1.1進(jìn)線柜
l 斷路器采用框架式、三斷保護(hù)
l 進(jìn)線方式：上進(jìn)線、母排連接
l 實(shí)現(xiàn)變頻單元和電網(wǎng)的隔離、保護(hù)、接地
l 系統(tǒng)構(gòu)成：斷路器，公用控制回路、電流、電壓檢測(cè)、銅排母線等。
l 防護(hù)等級(jí)：IP20
2.1.2變頻柜
l 通過(guò)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(dòng)交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)
l 速度反饋模板：采用脈沖檢測(cè)器測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，信號(hào)經(jīng)過(guò)速度反饋模板的轉(zhuǎn)換后，輸入變頻器中，實(shí)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(jìn)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(jī)風(fēng)機(jī)供電及保護(hù)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(dòng)環(huán)節(jié)、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)控制、工藝調(diào)節(jié)控制、故障檢測(cè)和保護(hù)等。
2.2第二級(jí)：PLC控制中心、操作臺(tái)
2.21PLC
l 采用SIEMENS S7-200系列的cpu226可編程，用于對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的起動(dòng)、停止、爬行、運(yùn)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(dòng)/停止、爬行/運(yùn)行控制、微升/微降控制、單動(dòng)、聯(lián)動(dòng)、正點(diǎn)、反點(diǎn)控制、力矩分配控制、張力控制、連鎖控制及附機(jī)控制等
l 系統(tǒng)構(gòu)成：CPU226、控制電源等
2.2.2操作臺(tái)：
l 樣式：斜面式
l 操作臺(tái)設(shè)有急停開關(guān)，用于緊急事故時(shí)的停車
l 控制功能：停止、爬行、運(yùn)行、微升、微降、繃緊
l 系統(tǒng)功能：急停按鈕、開機(jī)按鈕、等
（3）系統(tǒng)簡(jiǎn)介
加工紙生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和涂布加工紙?jiān)O(shè)備的更新，在涂布生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)運(yùn)行在各生產(chǎn)設(shè)備間的紙張張力進(jìn)行檢測(cè)和控制是提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。所以在涂布機(jī)的機(jī)電性能的控制中，關(guān)鍵是對(duì)涂布機(jī)系統(tǒng)的張力進(jìn)行控制。因?yàn)閺埩Φ拇笮?，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量：張力太大，會(huì)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(guò)松，走紙不平穩(wěn)，又會(huì)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(dú)立控制，自動(dòng)跟蹤加工紙張的張力，并且自動(dòng)換卷，控制放卷速度，保持張力恒定，省去以前繁瑣的擺桿機(jī)械，使得放卷機(jī)構(gòu)更加的簡(jiǎn)單，從而節(jié)省了一定的成本。（此部分外協(xié)）
中間各級(jí)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(hào)和微調(diào)信號(hào)按設(shè)定比例疊加進(jìn)行比例聯(lián)動(dòng)控制；在中間涂布器驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)所需的轉(zhuǎn)矩非常小。盡管AC90系列變頻器可以實(shí)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(shí)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(guò)大而造成的不易控制的局面。
（4）系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)
1、由變頻器完成各級(jí)張力控制，使用張力傳感器實(shí)現(xiàn)張力控制，系統(tǒng)簡(jiǎn)單且穩(wěn)定，各級(jí)張力控制由變頻器完成，極大減少?gòu)S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(guò)程中實(shí)現(xiàn)張力完全穩(wěn)定，用PLC 或同步控制器來(lái)控制驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)冾l器速度，同時(shí)作為其他變頻器的線速度信號(hào)。
2、ECF200閉環(huán)張力控制輕松實(shí)現(xiàn)加減速過(guò)程中的張力恒定，再加上安裝張力輥，同時(shí)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(dòng)功能和張力提升的功能，可滿足高速不停機(jī)自動(dòng)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(shí)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(dòng)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(jì)誤差造成機(jī)械高速及大卷收卷運(yùn)行時(shí)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(dòng)態(tài)精度：≤±0.05％
相關(guān)條件：
l 機(jī)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(jī)：普通異步電機(jī)（最好是變頻電機(jī)）
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(dòng)：不超過(guò)±20%
l 電網(wǎng)波動(dòng)：380V±10%
l 長(zhǎng)期負(fù)荷率：<90%
l 運(yùn)行頻率：>10Hz
l 最小負(fù)載：>1/8變頻器額定負(fù)載
l 運(yùn)行環(huán)境溫度：－0℃~40℃
l 電網(wǎng)頻率范圍：50Hz±3%
l 電機(jī)運(yùn)行方式：恒轉(zhuǎn)矩
負(fù)荷控制：
靜態(tài)精度：±1%；動(dòng)態(tài)精度：±3%
條件：張力檢測(cè)準(zhǔn)確、紙頁(yè)與輥面無(wú)相對(duì)滑動(dòng)。
過(guò)載能力：
150%/60S
靜態(tài)精度：在給定的速度上24小時(shí)運(yùn)行的變化量
動(dòng)態(tài)精度：傳動(dòng)在升速或者降速過(guò)程中克服機(jī)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(shí)間：0～600S
5、安全等級(jí)
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(tái)面為IP56。
6、系統(tǒng)特點(diǎn)
l 安裝方便：由于采用了MODBUS通訊，操作臺(tái)到控制室的電纜大大減少，所有信號(hào)的傳輸主要通過(guò)兩芯屏蔽雙絞線來(lái)完成，故安裝簡(jiǎn)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(hù)方便：因?yàn)?span lang="EN-US">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(jí)涂布器的驅(qū)動(dòng)作為該機(jī)的第一個(gè)主傳動(dòng)點(diǎn)，其速度給定作為整個(gè)紙機(jī)的總給定，其它傳動(dòng)點(diǎn)的速度都隨著該傳動(dòng)點(diǎn)的速度改變而改變，并以此為基礎(chǔ)根據(jù)紙機(jī)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(jì)專用的總給定畫面，采用數(shù)字直接線速度給定。
7.2起?？刂?/b>
控制各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的開停機(jī)，只對(duì)自己分部、傳動(dòng)組進(jìn)行獨(dú)立控制，不影響其它傳動(dòng)點(diǎn)。并且為了減少對(duì)設(shè)備起停時(shí)的沖擊，在起動(dòng)過(guò)程中還設(shè)置了S曲線環(huán)節(jié)過(guò)程，速度按照給定的速度上升曲線升速，同時(shí)速度環(huán)、電流環(huán)封鎖信號(hào)取消，投入運(yùn)行；當(dāng)操作員按停止按鈕時(shí)，設(shè)備可按自由停車，也可按給定的下降曲線停車，到達(dá)零速后速度環(huán)、電流環(huán)封鎖，以防誤動(dòng)作。
7.3爬行/運(yùn)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(shí)，系統(tǒng)要求低速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)一切均正常后才切換到高速運(yùn)行。爬行功能開關(guān)在爬行位置時(shí)，紙機(jī)就按照爬行速度運(yùn)行，爬行速度一般為20～30m/min的速度；當(dāng)引紙時(shí)，開關(guān)切換到運(yùn)行位置，紙機(jī)按給定的運(yùn)行速度運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)紙機(jī)就會(huì)自動(dòng)從爬行速度切換到運(yùn)行速度，在爬行和運(yùn)行速度之間變化時(shí)，系統(tǒng)按照一定的S曲線時(shí)間動(dòng)作
7.4速差調(diào)整控制
根據(jù)工藝流程要求，各個(gè)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(shí)速差也有所不同，微升、微降就是用于各個(gè)分部的速度進(jìn)行微調(diào)，使的傳動(dòng)點(diǎn)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(jì)在±10%～±15%（相對(duì)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(chǎng)可進(jìn)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(jī)時(shí)能自動(dòng)調(diào)用上次停機(jī)時(shí)調(diào)好的速差。
7.5點(diǎn)動(dòng)（正向點(diǎn)動(dòng)和反向點(diǎn)動(dòng)）
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(dòng)一個(gè)角度。在該情況時(shí)，當(dāng)按下點(diǎn)動(dòng)按鈕時(shí)，設(shè)備按點(diǎn)動(dòng)速度運(yùn)行，放開點(diǎn)動(dòng)按鈕時(shí)，設(shè)備停止運(yùn)行，通常情況在正常運(yùn)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(shí)的全線停車。當(dāng)按下該按鈕時(shí)，紙機(jī)全線停車且傳動(dòng)系統(tǒng)的總電源被切斷。以保護(hù)設(shè)備和人身安全。
7.7力矩控制（負(fù)荷分配）
在紙機(jī)的網(wǎng)部、壓榨部等處通常是一主多輔的傳動(dòng)組，即一臺(tái)設(shè)備的負(fù)荷由多臺(tái)電機(jī)共同承擔(dān)，這樣在傳動(dòng)組間，即要保證各個(gè)傳動(dòng)的速度穩(wěn)定，還得保證各個(gè)傳動(dòng)分擔(dān)的負(fù)荷均勻，這樣才能保證整個(gè)傳動(dòng)組的正常工作，否則就會(huì)發(fā)生被拖電機(jī)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(dòng)狀態(tài)的電機(jī)有余負(fù)荷過(guò)載而燒壞變頻器，同時(shí)對(duì)設(shè)備也不利，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成損壞。因此根據(jù)傳動(dòng)組間各個(gè)傳動(dòng)的關(guān)系，一般設(shè)立一個(gè)主傳動(dòng)，用它來(lái)控制速度，其余傳動(dòng)點(diǎn)作為輔助傳動(dòng)，對(duì)其進(jìn)行負(fù)荷分配，各個(gè)之間按照一定的比例分擔(dān)負(fù)荷。
7.8繃緊功能
在紙機(jī)的某些開放引紙段，由于前后之間的距離較大，在引紙時(shí)可能紙頁(yè)下垂較大，通常的操作是通過(guò)微升后一個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的速度讓紙頁(yè)拉直，然后在通過(guò)微降將速度調(diào)整回原來(lái)的速度，這樣操作非常煩瑣，且調(diào)整周期長(zhǎng)，容易改變?cè)瓉?lái)的同步特性。通過(guò)繃緊功能就可以很好的解決此問(wèn)題。當(dāng)按住繃緊按鈕時(shí)，速度會(huì)快速在原來(lái)的基礎(chǔ)上有一個(gè)快速的提升，紙頁(yè)迅速拉直。松開繃緊按鈕時(shí)，速度快速回到原來(lái)的速度，這樣即能方便引紙操作，又不改變?cè)瓉?lái)的同步關(guān)系。
7.9張力控制
在紙機(jī)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(duì)三烘和卷紙進(jìn)行了張力控制。將張力信號(hào)（間接張力或直接張力）介入PLC，從而實(shí)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(jī)連鎖控制
涂布機(jī)具有各種輔機(jī)控制，不同的輔機(jī)要求有不同的運(yùn)行條件。為了保證輔機(jī)和紙機(jī)的連鎖運(yùn)行，通常在主機(jī)傳動(dòng)部分?jǐn)U展PLC接口模塊，實(shí)現(xiàn)相互的連鎖。
8、系統(tǒng)單元設(shè)備簡(jiǎn)介
8.1
AC80B系列變頻器
AC80B系列傳動(dòng)產(chǎn)品最大的優(yōu)點(diǎn)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(jìn)的交流異步電機(jī)的控制方式。DTC穩(wěn)定杰出的性能，使AC80B傳動(dòng)產(chǎn)品適用于各種工業(yè)領(lǐng)域。
l 偉創(chuàng)交流傳動(dòng)持續(xù)不斷的在完善用戶界面。啟動(dòng)向?qū)У膽?yīng)用，使AC80B的調(diào)試變的非常簡(jiǎn)便。
l 脈沖編碼器模塊不增加體積，也無(wú)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(diǎn)及系統(tǒng)構(gòu)成
用S7 -226作為第二級(jí)系統(tǒng)，它是整個(gè)控制系統(tǒng)中心，主要用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集及處理、速度鏈控制、爬行/運(yùn)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(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子集成電路，模塊體積小巧，但功能強(qiáng)大，是中小型系統(tǒng)理想產(chǎn)品。通過(guò)串口與裝有Step7的計(jì)算機(jī)連接可進(jìn)行編程、調(diào)試、診斷等，通過(guò)MODBUS接口可與支持此協(xié)議的從站組成現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)。作為主站時(shí)可對(duì)驅(qū)動(dòng)器和現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)HMT設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制。
8.3操作面板