趙 丹 艾比布勒·賽塔爾 巴可熱木·艾克拜爾 劉亞偉 錢念書

(國(guó)網(wǎng)烏魯木齊供電公司,新疆烏魯木齊,830000)

·復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)·

基于PF753實(shí)現(xiàn)的復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)及其應(yīng)用

趙 丹 艾比布勒·賽塔爾 巴可熱木·艾克拜爾 劉亞偉 錢念書

(國(guó)網(wǎng)烏魯木齊供電公司,新疆烏魯木齊,830000)

以羅克韋爾公司的PF753變頻器為基礎(chǔ),以復(fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)為研究對(duì)象,分析復(fù)卷機(jī)的工作原理和傳動(dòng)工藝,從硬件設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面分析并設(shè)計(jì)出一套基于PF753變頻器實(shí)現(xiàn)的復(fù)卷傳動(dòng)控制系統(tǒng)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,包括PF753變頻器自整定調(diào)試、PF753基本參數(shù)的設(shè)定、速度基準(zhǔn)值選擇及調(diào)速參數(shù)的設(shè)定、通信模塊功能參數(shù)的設(shè)定,復(fù)卷機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行,生產(chǎn)出合格紙卷。

復(fù)卷機(jī)；PF753；控制系統(tǒng)；調(diào)試

(*E-mail: 1148180427@qq.com)

復(fù)卷傳動(dòng)主要應(yīng)用于造紙、鋼鐵等行業(yè)的具有卷材卷曲或分切工藝的設(shè)備,生產(chǎn)出符合規(guī)格要求的成品卷材。以造紙行業(yè)為例,復(fù)卷傳動(dòng)主要應(yīng)用于復(fù)卷機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中,控制系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定運(yùn)行,直接影響著成品紙卷的質(zhì)量。因此,復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制的研究對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量顯得十分必要。筆者根據(jù)企業(yè)實(shí)習(xí)的經(jīng)歷和實(shí)踐項(xiàng)目的機(jī)會(huì),在河北辛集某紙廠復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)項(xiàng)目中設(shè)計(jì)出一套基于羅克韋爾PF753變頻器的復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)復(fù)卷機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行,生產(chǎn)出合格紙卷。

1 復(fù)卷機(jī)介紹

1.1 復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)原理

圖1 復(fù)卷機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

本課題以下引紙復(fù)卷機(jī)為例,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。紙幅從退紙卷上引出來(lái),經(jīng)過(guò)導(dǎo)紙輥、舒展輥、圓刀、張力輥及弧形輥后進(jìn)入底輥,再經(jīng)過(guò)后底輥與紙芯接觸并開始復(fù)卷[1]。

復(fù)卷機(jī)工作時(shí),將待復(fù)卷的紙卷放在液壓無(wú)軸退紙架上,退紙架上配有交流變頻電機(jī)、光電編碼器及張力傳感器以使紙幅保持均勻的張力,并在斷紙時(shí)能使紙幅快速制動(dòng)。紙幅由退紙輥引出,通過(guò)遞紙裝置和導(dǎo)紙輥裝置,經(jīng)過(guò)舒展輥舒展后,通過(guò)縱切圓刀,再經(jīng)過(guò)弧形輥,繞過(guò)后支承輥而纏卷在成品卷紙筒上,由兩個(gè)底輥驅(qū)動(dòng)而牽動(dòng)紙張前進(jìn)。

1.2 復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制工藝

由于不同類型的紙張選用相應(yīng)類型的復(fù)卷機(jī)進(jìn)行復(fù)卷,復(fù)卷出的成品紙卷的質(zhì)量指標(biāo)不同,因此對(duì)復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的要求也不同,本課題以下引紙復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)為例。合格的成品紙卷必須具有足夠的硬度,滿足內(nèi)緊外松,徑向硬度分布均勻,以保證運(yùn)輸過(guò)程中不變形、不崩裂,在印刷設(shè)備或其他加工設(shè)備上能平穩(wěn)運(yùn)行[2]。

復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)由前底輥、后底輥、退紙輥3個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)組成,其中后底輥為主令單元,總體上采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制。在后底輥需加入定積分環(huán)節(jié)、S型升降速環(huán)節(jié)；前、后兩底輥要加速差控制和負(fù)荷分配控制；退紙輥需加弱磁控制、轉(zhuǎn)矩控制、電流控制、點(diǎn)動(dòng)控制、退卷張力控制。退紙卷張力控制可以采用直接張力控制或間接張力控制；壓紙輥的壓力控制采用帶電液比例閥的液壓控制系統(tǒng)；圓刀采用交流變頻傳動(dòng),其車速緊隨后底輥車速的變化而變化,并高出幾個(gè)百分點(diǎn)[3]。

2 傳動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)的基本參數(shù)

河北辛集某紙廠復(fù)卷機(jī),設(shè)計(jì)要求紙幅寬度2600 mm,設(shè)計(jì)車速900 m/min。前底輥現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)參數(shù)：額定電壓380 V、額定功率15 kW、額定轉(zhuǎn)速970 r/min；后底輥現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)參數(shù)：額定電壓380 V、額定功率15 kW、額定轉(zhuǎn)速970 r/min；退紙輥現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)參數(shù)：額定電壓380 V、額定功率22 kW、額定轉(zhuǎn)速975 r/min。復(fù)卷機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工況如圖2所示。

圖2 辛集某紙廠復(fù)卷機(jī)設(shè)備

2.2 傳動(dòng)控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用羅克韋爾PF753變頻器和PF525變頻器作為各傳動(dòng)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)單元,采用1769-L24ER-QB1B可編程控制器作為總控制器,2711pK10C4D8操作屏作為人機(jī)界面。變頻器通信模塊選用20750ENETR以太網(wǎng)適配器,各單元之間采用EtherNet進(jìn)行通信,使用RSLinx組態(tài)軟件和RS5000編程軟件對(duì)傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)和編程設(shè)計(jì)。復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

傳動(dòng)控制系統(tǒng)主體設(shè)計(jì)分為：前底輥、后底輥、退紙輥速度給定控制設(shè)計(jì),前底輥負(fù)荷分配設(shè)計(jì),退紙輥恒張力控制設(shè)計(jì),壓紙輥壓力曲線模型設(shè)計(jì)。

2.3 PF753變頻器硬件接線

前底輥、后底輥、退紙輥?zhàn)冾l器的硬件接線圖基本一致,如圖4所示。該硬件接線圖包括電機(jī)、電機(jī)風(fēng)機(jī)、編碼器、輔助控制、直流母線及制動(dòng)單元等接線。采用直流母線供電方式,可以使系統(tǒng)內(nèi)各電機(jī)或電機(jī)組各自實(shí)現(xiàn)正向電動(dòng)、制動(dòng)以及反向電動(dòng)、制動(dòng)的四象限運(yùn)行,并使處于發(fā)電狀態(tài)的電機(jī)能量經(jīng)母線直接供給處于電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī),大大提高了能量的再利用率,具有明顯的節(jié)能效果。同時(shí),在復(fù)卷機(jī)正常運(yùn)行時(shí),退紙輥制動(dòng)電流(發(fā)電狀態(tài))反饋到母線上,其電能正好可以提供給前后底輥(電動(dòng)狀態(tài))使用。為了防止傳動(dòng)控制系統(tǒng)中部分傳動(dòng)點(diǎn)處于動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí),大功率裝置在回饋制動(dòng)狀態(tài)工作,則易引起能量向小功率裝置涌流,引起小功率裝置過(guò)流跳閘。在本復(fù)卷機(jī)控制系統(tǒng)中由于退紙輥和前后底輥調(diào)速裝置功率相差較大,存在能量涌流的現(xiàn)象,因此在母線上連接了制動(dòng)斬波器和制動(dòng)電阻,采用能耗制動(dòng),防止急停時(shí)能量回饋導(dǎo)致升壓,從而損壞裝置。

3 傳動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

結(jié)合復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制的工藝和控制要求(如圖5所示),進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)。

如圖5所示,對(duì)于壓紙輥壓力控制,從觸摸屏上給定紙張定量和檢測(cè)到的直徑反饋值得到壓力自動(dòng)輸出值,通過(guò)壓力手動(dòng)和自動(dòng)切換的選擇,得到2種方式的壓力給定值。對(duì)于前后底輥轉(zhuǎn)矩差控制,可以選擇3 種速度：運(yùn)行速度、底輥單動(dòng)速度和引紙速度。選擇的速度經(jīng)過(guò)斜坡函數(shù)得到線速度的斜坡輸出值,斜坡輸出值再乘以后底輥速度校準(zhǔn)系數(shù)就是后底輥的給定速度。而線速度的斜坡輸出值乘以前底輥速度校準(zhǔn)系數(shù)就是前底輥速度給定,再乘以前底輥工藝系數(shù)就得到前底輥的給定速度。對(duì)于恒張力控制,通過(guò)張力選擇模塊分別依情況選擇0、靜張力、運(yùn)行張力3種張力,經(jīng)濾波函數(shù)后乘以1%將張力值變?yōu)榘俜謹(jǐn)?shù)的表達(dá)形式,再經(jīng)過(guò)斜坡。結(jié)合后底輥的加速度對(duì)張力變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,補(bǔ)償?shù)闹到?jīng)過(guò)斜坡函數(shù)后疊加到?jīng)]補(bǔ)償?shù)闹瞪先?經(jīng)過(guò)限幅,可以分別實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩正限幅和轉(zhuǎn)矩負(fù)限幅[4]。

圖4 變頻器硬件接線圖

圖5 復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制框架圖

4 項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用案例分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)基本參數(shù)和以上對(duì)基于羅克韋爾PF753變頻器復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析,基于PF753變頻器實(shí)現(xiàn)的復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制的應(yīng)用描述如下。

4.1 人機(jī)界面

觸摸屏選擇羅克韋爾公司的PANELVIEW PLUS COMPACT 1000,該觸摸屏適合需要以圖形化方式監(jiān)視、控制和顯示信息的應(yīng)用,可以幫助操作員快速了解應(yīng)用的狀態(tài),是連接CompactLogix控制器的最佳HMI。PANELVIEW PLUS COMPACT 1000觸摸屏有1個(gè)RS232串口、1個(gè)以太網(wǎng)端口、2個(gè)USB端口、直流輸入電源和CF卡1型插槽。打開Factory Talk View 組態(tài)軟件,首先使用名為Specify Factory Talk Directory Location的工具設(shè)置本臺(tái)計(jì)算機(jī)的名稱。之后創(chuàng)建一個(gè)新的應(yīng)用項(xiàng)目,確定為單機(jī)應(yīng)用項(xiàng)目,在單機(jī)項(xiàng)目創(chuàng)建時(shí)自動(dòng)生成一個(gè)HMI服務(wù)器,HMI服務(wù)器可以存儲(chǔ)工程組件(例如：圖形顯示畫面),并將這些組件提供給客戶,該服務(wù)器還包含一個(gè)標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫(kù),執(zhí)行報(bào)警檢測(cè)和歷史數(shù)據(jù)管理(日志)。在RSLinx Classic中,為每一個(gè)想要建立通信的設(shè)備創(chuàng)建一個(gè)OPC主題。在Factory Talk View Studio中建立一個(gè)OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器。有了該數(shù)據(jù)服務(wù)器,就可能在 Factory Talk View中看見RSLinx Classic OPC主題。使用Factory Talk View繪圖工具創(chuàng)建圖形對(duì)象和文本。用戶可以創(chuàng)建如橢圓和矩形等簡(jiǎn)單對(duì)象,或者創(chuàng)建如趨勢(shì)和報(bào)警匯總等復(fù)雜的對(duì)象,也可以從Factory Talk View圖形庫(kù)中將已經(jīng)制作好的對(duì)象拖拽到圖形顯示畫面中。組態(tài)的復(fù)卷機(jī)控制畫面如圖6所示。

圖6 組態(tài)的復(fù)卷機(jī)控制畫面圖示

圖7 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)

4.2 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)

程序的設(shè)計(jì)都是在RSLogix5000軟件中編寫,使用1769CompactLogix一體化控制器,使用時(shí)需將所有的以太網(wǎng)網(wǎng)口和交換機(jī)連接,交換機(jī)可以通過(guò)一臺(tái)電腦訪問(wèn)諸多設(shè)備。打開RSLogix5000軟件,首先選擇所需要的通信網(wǎng)絡(luò),如Device Net網(wǎng)絡(luò)或Ether NET/IP網(wǎng)絡(luò)。本項(xiàng)目中,選擇Ether NET/IP網(wǎng)絡(luò),在I/O配置下點(diǎn)擊E網(wǎng),添加1769PLC和AB變頻器,由于傳動(dòng)點(diǎn)有前底輥、后底輥、退紙輥、壓紙輥,因此,添加3臺(tái)PF753變頻器作為前底輥、后底輥、退紙輥的驅(qū)動(dòng),PF525作為壓紙輥的驅(qū)動(dòng)。控制系統(tǒng)硬件組態(tài)如圖7所示[5]。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

4.3.1 PF753變頻器自整定調(diào)試

當(dāng)電機(jī)控制模式為感應(yīng)電機(jī)磁通矢量控制模式時(shí),PF753變頻器參數(shù)70可進(jìn)行自整定調(diào)試,通過(guò)自整定調(diào)試設(shè)置IR壓降、IXO壓降、磁通電流基準(zhǔn)值等。本系統(tǒng)變頻器采用旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)自整定方式,帶編碼器反饋,除以上參數(shù)自動(dòng)設(shè)置外,還可自動(dòng)設(shè)置滿負(fù)載滑差補(bǔ)償值。在進(jìn)行自整定調(diào)節(jié)之前,將電流限幅值設(shè)置為100%,否則報(bào)過(guò)流故障。

4.3.2 PF753變頻器系統(tǒng)功能設(shè)定

(1)基本參數(shù)設(shè)定

以前底輥電機(jī)為例：額定功率15 kW,額定電壓380 V,額定電流31 A,額定轉(zhuǎn)速970 r/min。參數(shù)p25～p35為變頻器電機(jī)控制參數(shù),其中p25表示電機(jī)銘牌電壓,p26表示電機(jī)銘牌電流,p27表示電機(jī)銘牌頻率,p28表示電機(jī)銘牌轉(zhuǎn)速,p30表示電機(jī)銘牌功率,p31表示電機(jī)極數(shù)，p35表示電機(jī)控制模式的選擇。參數(shù)p300、p308和p370為變頻器配置參數(shù),其中,p300表示定義速度單位,p308表示定義方向模式,p370表示定義電機(jī)停車方式。參數(shù)p535和p537為速度控制參數(shù),p535表示電機(jī)的加速時(shí)間,p537表示電機(jī)的減速時(shí)間。其具體參數(shù)設(shè)置如表1所示[6]。

(2)速度基準(zhǔn)值選擇及調(diào)速設(shè)定

采用以太網(wǎng)通信,模塊20750ENETR插在5#插槽,速度給定由PLC給定,故速度基準(zhǔn)值選擇參數(shù)為875(插槽5基準(zhǔn)值),參數(shù)p545為速度基準(zhǔn)值的選擇,參數(shù)p636表示速度器調(diào)節(jié)帶寬,參數(shù)p645為速度調(diào)節(jié)器的比例增益,p647為速度調(diào)節(jié)器的積分增益。為了保護(hù)變頻器和設(shè)備,必須設(shè)定速度電流和速度限制值,參數(shù)p413表示電機(jī)過(guò)載因子,參數(shù)p422表示電流限制值,p520表示最大正向轉(zhuǎn)速,p522表示最小正向轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)外部急停時(shí),必須斷開變頻器運(yùn)行使能,保證設(shè)備安全；當(dāng)變頻器故障時(shí),接通外部繼電器,斷開直流母線接觸器,保護(hù)變頻器,參數(shù)p155表示數(shù)字量DI輸入啟用,p230表示繼電器輸出選擇。其具體參數(shù)設(shè)置如表2所示[6]。

表1 基本參數(shù)設(shè)置

表2 速度基準(zhǔn)參數(shù)的設(shè)置

(3)通信模塊功能設(shè)定

采用以太網(wǎng)通信,通信模塊插入5#插槽,設(shè)定參數(shù)必須與PLC組態(tài)設(shè)定參數(shù)相同,否則通信不正常。其具體的參數(shù)設(shè)置如表3所示。

經(jīng)過(guò)調(diào)試,復(fù)卷機(jī)能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行,達(dá)到設(shè)計(jì)車速,并能夠生產(chǎn)出合格的紙卷。

表3 通信參數(shù)設(shè)置

5 結(jié) 論

以羅克韋爾PF753變頻器為電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置,配合1769-L24ER-QB1B可編程控制器,通過(guò)分析復(fù)卷機(jī)的傳動(dòng)工藝,設(shè)計(jì)出基于PF753的復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了全新的有AB特色的編程、組態(tài)環(huán)境。通過(guò)在河北辛集某紙廠復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)項(xiàng)目上的應(yīng)用,復(fù)卷機(jī)運(yùn)行正常,可以生產(chǎn)出合格的紙卷,說(shuō)明基于PF753的復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)具有良好的使用價(jià)值。

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(責(zé)任編輯：劉振華)

The Control and Application of Rewinder Drive System Based on PF753

ZHAO Dan*AI Bibule Saitaer BA Keremu Aikebaier LIU Ya-wei QIAN Nian-shu

(TheUrumqiPowerSupplyCompanyofStateGrid,Urumqi,XinjiangUygurAutonomousRegion, 830000)

In this paper, based on the Rockwell company PF753 frequency converter, the rewinder electrical control system was the research object, the working principle and driving process of rewinder were analyzed.From the hardware design and software implementation a rewinder drive control system based on PF753 frequency converter was developed.Through the field debugging, including PF753 frequency converter self-tuning debugging, PF753 basic parameter setting, speed baseline value choice and control parameter settings, communication module function parameter setting, the rewinder could operate steadily and produce qualified paper roll．

rewinder； PF753； control system； debugging

趙 丹先生,碩士；主要從事電力傳動(dòng)及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線研究、變電一次設(shè)備檢修等工作。

2016- 12- 31(修改稿)

TS736+.3

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.05.009