基于SINAMICS S120的煙草薄片生產線多機傳動系統研究

摘 要：文章針對鑫源公司高品質煙草薄片生產線，利用西門子新一代的驅動控制系統SINAMICS S120多機傳動系統優化傳統控制方案中的負荷分配、速度同步等問題，使得傳動系統與工藝操作要求和實際負載特性合理銜接，保證整條生產線的連續穩定運行。

關鍵詞：煙草薄片；多機傳動系統；SINAMICS S120

中圖分類號：TM571 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）33-0001-02

SINAMICS S120是西門子新一代的驅動控制系統，它是集V/F、矢量和伺服控制于一體的驅動系統，多軸資源共享的理念和模塊化的設計使得它能實現高效而又復雜的運動控制，其性能遠遠超過同類系統。系統用戶可以根據自己的應用情況組態實現最佳驅動方案。不僅如此，豐富的選配件產品還可以靈活的滿足各種工廠的各種特有要求。在工廠中，驅動系統極其緊湊的結構設計和豐富的預組態可能性可以有效地節省空間，并實現與安裝和現場調試相關的時間和成本最小化。

在中國卷煙產業發展戰略中，發展降焦減害的“中式卷煙”具有非常重要的戰略地位。煙草薄片的應用將有助于優化卷煙配方結構、降低卷煙有害成分、促進卷煙產品向低焦油、高品質的方向發展。在傳統的傳動控制方案中，各分部負荷分配、速度同步、負載率均衡均不夠穩定，在一定程度上影響正常抄紙，對產品品質如產品定量、松厚度等有一定的影響。當負荷不能均勻分布時，經常引起斷紙，嚴重時甚至有可能撕壞毛毯。針對這一問題，鑫源公司運用SINAMICS S120多機傳動系統完成煙草薄片生產線傳動控制，應用效果良好。

1 傳動控制系統構成

本系統采用分布式PLC系統，選用S7-400中央處理單元，外掛操作面板，ET200操作子站和SINAMICS S120變頻器， ProfiBus DP通訊，最大限度消除了由于導線傳輸引起的延誤。整個控制結構如圖1所示。

傳動系統為典型三級控制系統結構，即生產管理級、自動控制級和現場控制級。

1.1 傳動系統第一級為現場控制級

現場電機均由SINAMICS S120系列公共直流母線多傳動控制器控制，并配有閉環控制編碼器反饋模塊。每臺變頻器均配有DP通訊板，與PLC組成PROFIBUS-DP現場總線控制網絡進行實時高速通訊。

1.2 傳動系統第二級為自動控制級

S7-400與變頻器以及遠程I/O組成PROFIBUS-DP現場總線控制網絡，實現整個生產線的自動控制。

1.3 傳動系統第三級為生產管理級

通過PROFIBUS-DP現場總線與DCS、QCS上位機聯網控制，實現整線優化控制。

2 SINAMICS S120多機傳動系統簡介

基于公共直流母線系統的SINAMICS S120 DC/AC多機傳動，其模塊化的結構和特殊的性能保障了開發復雜的傳動系統的可能性。根據待控制的轉軸和性能需求來選擇控制單元，同時根據再生能量回饋的要求來選擇電源模塊。控制單元和功率單元之間采用全新的通訊鏈接方式——DRIVE-CLiQ。DRIVE-CliQ應用廣泛，可以用于連接編碼器模塊，電機模塊，伺服電機，I/O設備等，可以有效地減少線路干擾，實現信號的高速傳輸。

SINAMICS S120系列采用模塊化設計。所有驅動器智能組織在控制單元中。控制單元執行變頻調速柜的所有閉環控制功能。它們還處理所有其他驅動器功能，如驅動器相關的I/O互連，配備PROFIBUS DP或PROFINET中央接口，用于連接更高級別的自動化系統。

SINANMICS S120系列多軸傳動系統主要由控制單元，電源模塊，電機模塊，編碼器模塊組成，電源模塊和電機模塊通過的DRIVE-CliQ接口連接到CU320-2控制單元。

控制單元CU320-2對所有連接的軸進行驅動控制，并且還可在驅動裝置之間或者在軸之間實現技術性的邏輯互連，完成一個或多個電機模塊和電源模塊的通訊、電機的主從跟隨控制，開閉環控制功能均在控制單元內完成。由于全部所需數據均存儲在中央控制器中，這些數據無需進行傳輸，相比通過通訊方式進行軸間互連的方式而言，具備更高的響應速度和更好的組態靈活性。在一個控制器內即可交叉軸連接，利用一個鼠標，使用STARTER調試工具即可進行便捷的組態。用于SINAMICS S120的DCC驅動控制圖可對驅動級的閉環過程控制、邏輯和算術功能進行簡便的圖形化組態。支持控制回路結構的方便圖形組態和清晰顯示，可以方便地組態SINAMICS S120驅動系統的技術功能。

同時在相關塊庫中提供含有大量閉環控制、計算和邏輯模塊以及更加復雜的開環和閉環控制和功能模塊。電源模塊集中為電壓源直流鏈路提供能量。電源模塊可選擇配備經過調節的饋電/再生反饋功能，以提供恒定的直流連接電壓和高度的供電兼容性，電機模塊從直流連接為電機供能。

3 SINAMICS S120多機傳動系統的控制方式

3.1 矢量控制

矢量控制是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量（勵磁電流）和產生轉矩的電流分量（轉矩電流）分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。采用矢量控制不僅可以控制電機的轉速，同時還可以通過電機轉矩設定值控制電機轉矩，對交流傳動來說是一個最優的電機控制方法，使得造紙法再造煙葉系統的動態變化做出快速響應。對于穩定車速、方便操作、減少斷紙有穩定的基礎。

開環動態速度控制精度可以達到閉環磁通矢量控制的精度。SINAMICS S120靜態速度控制精度為標稱速度的0.005%，滿足了絕大多數的高精度工業應用需求。當要求更精確的速度調節時，可以采用電機軸頭的脈沖增量編碼器進行速度閉環控制，得到了0.0005%的穩速精度和0.01%Sec的動態速降。

矢量控制的完美的性能是基于被控異步電機的準確參數，SINAMICS S120具備異步電機參數自動檢測，自動辨識，自適應功能，可以在驅動被控異步電機運行前自動辨識異步電機參數，并根據自動辨識結果自動調節控制算法中的有關參數，從而實現有效的矢量控制。

3.2 主從控制

SINAMICS S120的主從控制性能在網部等需要多臺電機共同驅動同一負載時（例如壓榨是由真空壓榨輥和壓榨輥共同驅動的）采用了主/從控制的功能后，由真空壓榨輥電機作為主機，依據速度鏈的速度要求控制速度，壓榨輥電機作為從機跟隨主機的速度。并按比例分配轉矩，保證兩個電機負荷分配平衡。主機和從機之間由于數據都在同一個控制器內進行處理，從機的跟隨響應速度為0.1 ms。主從控制的從機還可以增加速度加窗口控制功能。在從機的實際速度與主機速度給定值的偏差不大于設定值時從機為轉矩控制，跟隨主機。當速度偏差大于設定值時，從機自動轉為速度控制，追隨速度鏈的速度給定，保證電機不會超速。

3.3 轉矩控制

SINAMICS S120的轉矩控制，由于SINAMICS S120采用了矢量控制，并且有毫秒級的速度響應。

4 SINAMICS S120多機傳動系統的速度控制

4.1 加速和減速積分

SINAMICS S120提供了兩個用戶選擇的加速和減速積分。可以調整加減速時間（0～1 800 s）和選擇積分類型。能夠通過控制一個數字輸入口，在兩個設定的積分時間之間進行切換。可選的積分類型是線性曲線和S形曲線。

①線性曲線：適合于電機需要恒加減速的情況。

②S形曲線：S形積分適合于在速度發生變化的起始階段和結束階段要求平穩變速的情況。

4.2 速度降落

在煙草薄片生產線上有些部位在負載變化時需要軟特性，在紙產生拉力時，速度較高的電機出力大，電流也大。利用SINAMICS S120的速度降落特性，使電流大的電機速度降低，用來減少斷紙。

使用速度降落功能，對速度調整沒有影響，仍保持良好的特性。

4.3 速度調節器

在電機辨識過程中，SINAMICS S120速度調節器會自動調整參數。然而，也可以手動調整調節器的增益，積分時間和微分時間，滿足造紙法再造煙葉在不同分部的要求。

速度調節器具有速度軟化功能，啟動這個功能后，電機的速度可以在電機負荷加大時，按照人為設定的斜率產生速度降落，使用這個功能可以有效的減少斷紙。

5 應用實例分析

在鑫源公司設計生產能力為2 t/h的煙草薄片生產線應用中，整線傳動系統非常穩定可靠，系統上位機可以實時顯示一臺或多臺SINAMICS S120的運行曲線，如圖2所示，負荷分配和速度響應均能根據傳動和工藝操作要求和實際負載特性進行合理銜接，能夠完成不同工作狀態下整線車速穩定在120 m/min，速差控制在3%以內，產品定量控制在90～110 g/m2，滿足工藝操作要求。

6 結 語

通過同行業大中小型各類西門子PLC在傳動系統中的實踐應用，驗證了其在工業現場的可靠性，靈活性以及方便易用性都具有很強的競爭力。SINAMICS S120從中脫穎而出，滿足了紙機穩速精度、動態響應、負荷分配效果、紙張定量、系統穩定性和可靠性，充分滿足了生產需求，其優勢得到了充分體現，其模塊化系統可勝任工業應用領域中的各種驅動任務，模塊化設計，可解決要求極為苛刻的驅動任務。同時，SINAMICS S120的事件記錄器實時記錄故障發生前設定的時間內SINAMICS S120的運行情況和發生故障后SINAMICS S120的運行情況，為生產過程中的維護節約了寶貴時間。SINAMICS S120多機傳動系統為鑫源公司高品質煙草薄片生產線傳動控制提供了最佳的控制方案。

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