MM440變頻器在紙卷包裝機上的應用

趙永國 秦立剛

(山東省科學院自動化研究所,山東濟南,250014)

·變頻器應用·

MM440變頻器在紙卷包裝機上的應用

趙永國 秦立剛

(山東省科學院自動化研究所,山東濟南,250014)

介紹了西門子MM440變頻器在紙卷包裝機上的應用。簡述了項目的工藝及方案選擇,詳述了整個控制系統的選型、硬件配置、系統結構、通訊方式、參數設定,以及系統如何從軟硬件兩方面實現對象要求的功能。

MM440變頻器;矢量控制;張力控制

(＊E-mail:sduzyg@126.com)

Abstract:In this paper,the application of siemensMM440 frequency converter in reelpackagingmachinewas introduced.Taking advantage of sensorless vector control(SLVC)function ofMM440 to achieve tension control in paper reeling and de-reeling,the project technology and scheme selection were described briefly.The selection of the entire control system,hardware configuration,system architecture,communications,parameter settings,aswell as how the system to achieve the target functions based on both hardware and softwarewere discussed in detail.

Key words:MM440 frequency converter;vector control;tension control

1 工藝簡介

紙卷包裝機是造紙完成生產線必備的包裝設備之一,其主要功能是對紙卷的外層進行包裝,以便于運輸和存儲。包裝材料一般是牛皮紙,包裝層數一般為3～5層。

紙卷包裝機由放紙、送紙、卷紙、切紙、噴膠、熱壓合等幾部分組成。要求包裝過程中放紙、送紙和卷紙過程中放紙架、送紙輥和紙卷驅動輥的包裝紙線速度一致并保持一定的張力,張力過大容易拉斷包裝紙。

整個紙卷包裝系統從前到后由以下3部分組成:

(1)放紙部分:由工字梁滑軌、門式紙卷支架移動車、裝紙汽缸、導向輥和電機組成。

(2)送紙部分:由送紙驅動輥、氣動壓輥、改向輥、托紙梁、夾紙器、送紙盒和電機組成。

(3)卷紙部分:由紙卷驅動輥和電機組成。

2 控制系統構成

2.1 系統硬件配置

紙卷包裝機的放紙、送紙和卷紙是通過交流異步電機驅動,3臺電機的調速由S7-300PLC通過PROFIBUS總線控制3臺MM440變頻器來實現。

2.2 MM440變頻器特點

(1)豐富的控制功能

可以滿足各行業的驅動控制要求,在本控制系統中,采用矢量控制方式來驅動各分部電機。

(2)強大的通訊功能

具有標準的RS485接口,方便上位機通訊,PROF IBUS通訊可選件可以將MM440掛上開放的、快速的DP網,實現高性能的通訊控制[1]。

表1 控制系統主要硬件清單

(3)自由功能塊和B ICO技術

MM440具有區別一般通用變頻器的自由塊和B I CO技術,可以實現靈活的組態設計,完成工藝復雜的控制要求[2]。

(4)多種參數設置方式

通過基本操作板、高級操作板進行參數設置,也可利用S IMOV IS和DR IVE MON ITER調試軟件進行參數設置,同時可以運用調試軟件監視控制中的過程值。

2.3 張力控制方案

張力控制的目的就是保持包裝紙上的張力恒定,具有矢量控制功能的變頻器可以通過兩種途徑達到目的:通過控制電機的轉速來實現和通過控制電機輸出轉矩來實現[3]。

2.3.1 速度模式下的張力閉環控制

速度模式下的張力閉環控制是通過調節電機轉速達到張力恒定的。首先由紙卷的線速度和紙卷的卷徑實時計算出同步匹配頻率指令,然后通過張力檢測裝置反饋的張力信號與張力設定值構成P ID閉環,調整變頻器的頻率指令。同步匹配頻率指令的公式如下:

F=(Vpi)/(πD),F1=F+ΔF

式中:F為變頻器同步匹配頻率指令;V為線速度;p為電機極對數(變頻器根據電機參數自動獲得);i為機械傳動比;D為卷筒的卷徑;F1為變頻器的運行頻率;ΔF為P ID調節輸出量。

這種控制模式下要求變頻器的P ID調節性能要好,同步匹配頻率指令要準確,這樣系統更容易穩定,否則系統就會震蕩、不穩定。

2.3.2 轉矩模式下的張力控制

(1)轉矩模式下的張力開環控制

在這種模式下,無需張力檢測反饋裝置,就可以獲得更為穩定的張力控制效果,結構簡潔,效果較好。但變頻器需工作在閉環矢量控制方式,必須安裝測速電機或編碼器,以便對電機的轉速做精確測量反饋。轉矩的計算公式如下:

式中:T為變頻器輸出轉矩指令;F為張力設定指令;i為機械傳動比;D為卷筒的卷徑。

電機的轉矩被計算出來后,用來控制變頻器的電流環,這樣就可以控制電機的輸出轉矩。這種控制多用在對張力精度要求不高的場合。

(2)轉矩模式下的張力閉環控制

張力閉環控制是在張力開環控制的基礎上增加了張力反饋閉環調節。通過張力檢測裝置反饋張力信號與張力設定值構成P ID閉環調節,調整變頻器輸出轉矩指令,這樣可以獲得更高的張力控制精度。其張力計算與開環控制相同。

考慮到工藝要求(要求張力精度不是很嚴格,只要保證包裝紙不被拉斷即可)和設備成本[4],選擇轉矩模式下的張力開環控制方案,這樣就可省去張力檢測傳感器,既滿足工藝要求又節省硬件成本。

2.3.3 變頻器參數設定及優化

(1)快速調試參數

P00003=3用戶訪問等級為專家級

P0010=1開始快速調試

P0304=380電機額定電壓380 V

P0305=4.5電機額定電流4.5 A

P0307=2.2電機額定功率2.2 kW

P0308=0.85電機功率因數

P0311=1400電機額定轉速

P0355=2電機冷卻方式自冷內置風機冷卻

P0640=150電動機過載因子150%

P0700=2命令由端子排輸入

P1000=6頻率設定COM鏈路的通訊板設定

P1080=0.5最小頻率0.5 Hz

P1082=50最大頻率50 Hz

P1120=5斜坡上升時間10 s

P1121=3斜坡下降時間10 s

P1300=22控制方式無傳感器的矢量轉矩控制

P3900=1結束快速調試

(2)編碼器參數

P0400=2不帶零位脈沖的正交編碼器

P0408=1000編碼器一圈的脈沖數1000

P0492=5允許的速度偏差5個脈沖

P0494=100速度信號丟失時的措施延遲時間100 ms

(3)其他參數

P1230=0使能直流制動

P1233=0直流制動的持續時間

P1236=0復合制動電流

P1240=0直流電壓控制器的配重

P1237=5動力制動的工作/停止周期

P1254=0Vdc接通電平的禁止自動檢測

P1520=5.13轉矩限幅

P1521=-5.13轉矩限幅

2.3.4 應用體會

(1)在項目的方案確定階段,考慮成本因素是必須的,但必須深刻了解設備的關鍵控制點,懂得其控制原理才能拿出最佳方案,才能保證設備達到最佳的性價比。

(2)在MM440調試中有以下幾點容易被忽視:①在更改命令源P0700時,所有的數字量輸入輸出都將復位。控制對象為位能負載并使用數字量輸出控制抱閘時,更改P0700會造成溜車。②適用帶編碼器的矢量控制方式的電機參數自動檢測結束后會自動更改P0492(允許速度偏差),如運行中容易發生F0090故障可以適當增大此值。③AOP高級操作板只能上裝下載第3訪問級以下的參數(包括第3級別),在變頻器之間拷貝參數組時,用戶必須在此對變頻器進行快速調試和飽和曲線自動檢測(P1910=3),從而修改變頻器第4訪問級參數。使用PC調試軟件STARTER或者DR IVEMON ITOR軟件可以上裝下載全部級別的參數。

(3)在需要使用AOP對多臺相同變頻器進行參數下載操作時應首先查看變頻器軟件版本是否相同(r0018),若不相同不要下載,最好對不同軟件版本的變頻器重新調試。

3 結 語

MM440是西門子全新一代變頻器,其許多功能類似于6SE70變頻器,但其功能不如6SE70強大,分辨率、控制精度也低于6SE70。但是,在版本V2.0推出且功率達到250 kW之后,MM440變頻器在國內中小型造紙機中將會得到廣泛的應用。今后將繼續使用變頻器的無傳感器的矢量控制功能,并在不斷應用實踐中完善參數,發揮變頻器的最大作用以提高產品的性能。

[1] 西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團.M ICROMASTER 440使用說明書[S].2003.

[2] 西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團.M ICROMASTER 440入門指南[S].2007.

[3] 唐國蘭,陳凌珊,吳云忠.基于變頻器的張力控制及應用[J].包裝與食品機械,2003,21(5):15.

[4] 張忠民.交流變頻閉環系統在造紙機上的應用[J].中國造紙, 1993,12(2):18.

(責任編輯:趙旸宇)

Application of SiemensMM 440 Frequency Converter in Reel Packag ingMach ine

ZHAO Yong-guo＊Q IN Li-gang

(Institute of Automation,Shandong Academ y of Sciences,Ji'nan,Shandong Province,250014)

趙永國先生,博士;主要研究方向:過程控制、系統辨識、工業機器人應用、機器視覺等。

TP241.2

B

0254-508X(2010)08-0053-03

2010-03-04(修改稿)

本課題得到國家863計劃“造紙行業包裝搬運機器人系統的開發和應用”(2007AA04Z260)基金資助。