基于DeviceNet的紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

邢艷榮 秦佳偉

(1.烏海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 烏海，016000;2.內(nèi)蒙古君正能源化工股份有限公司，內(nèi)蒙古 烏海，016000)

目前國(guó)內(nèi)造紙行業(yè)中部分紙機(jī)生產(chǎn)工藝較落后、電氣自動(dòng)化程度不高、能耗高、故障率高、生產(chǎn)效率低。在紙機(jī)傳動(dòng)控制方面，為了提高傳動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，筆者結(jié)合紙機(jī)的先進(jìn)工藝和紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及調(diào)試方法，設(shè)計(jì)出基于DeviceNet通信的紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)，該紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)已在河北邢臺(tái)某造紙廠和浙江金華某造紙廠的紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用。經(jīng)過(guò)客戶回訪、調(diào)查，該控制系統(tǒng)運(yùn)行良好、能耗低、故障率低、受到廣泛好評(píng)。本文對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行介紹，以供參考。

1 DeviceNet簡(jiǎn)介

DeviceNet是簡(jiǎn)單、廉價(jià)、高效、適用于設(shè)備層的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。它將可編程控制器、變頻器、檢測(cè)設(shè)備和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等工業(yè)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，降低了設(shè)備硬件接線的成本。其優(yōu)越的直接互連性改善了設(shè)備間的通信，提供了設(shè)備級(jí)診斷功能。DeviceNet網(wǎng)絡(luò)最大可連接64個(gè)節(jié)點(diǎn)，通信波特率包括125 kbps、250 kbps和500 kbps 3種。設(shè)備可由DeviceNet總線供電(最大總電流8 A)或使用獨(dú)立電源供電[1-2］。DeviceNet的特點(diǎn)和功能如表1所示。

2 紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)以河北邢臺(tái)某造紙廠工程為例，按照紙機(jī)設(shè)計(jì)方案及客戶要求，紙機(jī)幅寬4600 mm，設(shè)計(jì)車(chē)速400 m/min。紙機(jī)傳動(dòng)點(diǎn)設(shè)計(jì)個(gè)數(shù)為18組，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)容量1800 kW。傳動(dòng)點(diǎn)名稱(chēng)及電機(jī)容量如表2所示。

表1 DeviceNet的特點(diǎn)和功能

經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比，本紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)采用1769-L35E CPU作為總控制器，1769-SDN(兩個(gè))作為DeviceNet的通信模塊，2711K7C4D8操作屏作為人機(jī)界面，采用PF700變頻器作為各傳動(dòng)單元，變頻器通信模塊選用20-COMM-D網(wǎng)絡(luò)適配器。PLC與傳動(dòng)單元之間采用DeviceNet進(jìn)行通信，上位機(jī)、人機(jī)界面與PLC之間采用EtherNet/IP進(jìn)行通信。使用RSLinx組態(tài)軟件、RSNetworx For DeviceNet組態(tài)軟件、RS5000編程軟件對(duì)紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件通信組態(tài)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

表2 傳動(dòng)點(diǎn)名稱(chēng)及電機(jī)容量

2.2 可編程控制器硬件接線

為了提高設(shè)備整體安全系數(shù)，監(jiān)控設(shè)備總體運(yùn)行情況，將影響紙機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行的一切因素考慮在內(nèi)，增加紙機(jī)連鎖控制，提高自動(dòng)化程度，成為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)之關(guān)鍵。本系統(tǒng)可編程控制器擴(kuò)展模塊數(shù)字輸入32點(diǎn)、數(shù)字輸出32點(diǎn)、模擬輸入4組 (備用)、模擬輸出2組 (備用)。硬件接線設(shè)計(jì)數(shù)字量輸入如圖2所示。數(shù)字量輸出接線如圖3所示。

2.3 PF700變頻器硬件接線

根據(jù)紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，18組傳動(dòng)點(diǎn)變頻器接線大體相同，如圖4所示。

PF700變頻器硬件接線包括主電機(jī)、電機(jī)風(fēng)機(jī)、編碼器、控制端子、DeviceNet通信等接線。PF700變頻器的主電源輸入來(lái)自傳動(dòng)系統(tǒng)DSU整流柜，使用DSU整流柜供電可避免觸發(fā)脈沖給周?chē)姎庠O(shè)備 (如整流變壓器等)帶來(lái)的諧波干擾，使設(shè)備正常工作[2］。

3 傳動(dòng)控制系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)設(shè)計(jì)

圖4 PF700硬件接線圖

本系統(tǒng)人機(jī)界面、上位機(jī)和PLC之間采用EtherNet/IP進(jìn)行通信;各傳動(dòng)單元和PLC之間采用DeviceNet進(jìn)行通信。本文重點(diǎn)介紹DeviceNet通信硬件組態(tài)，使用RSLinx軟件、RSNetworx For DeviceNet軟件和RS5000編程軟件進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)。軟件組態(tài)設(shè)計(jì)分為5個(gè)步驟。第一步:打開(kāi)RSLinx軟件，添加工業(yè)以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)，然后通過(guò)RSLinx通信軟件掃描到以太網(wǎng)上所帶有的設(shè)備，可以清楚地看到網(wǎng)絡(luò)是否暢通，并且可以看到每個(gè)硬件的節(jié)點(diǎn)及槽位，如圖5所示。

圖5 RSLinx掃描設(shè)備圖

第二步:打開(kāi)RS5000軟件，新建項(xiàng)目，添加PLC的拓展模塊，型號(hào)及槽號(hào)必須和實(shí)際硬件相匹配。將創(chuàng)建好的項(xiàng)目下載到PLC并運(yùn)行，RSlogix 5000編程軟件自動(dòng)生成標(biāo)簽，如圖6所示。

第三步:打開(kāi)RSWorx for DeviceNet軟件，點(diǎn)擊online按鈕，選擇通信路徑。選中DeviceNet網(wǎng)絡(luò)并運(yùn)行，組態(tài)軟件便會(huì)自動(dòng)掃描所有接入DeviceNet網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)備，如圖7所示。

第四步:雙擊掃描出的硬件圖標(biāo)彈出對(duì)話框，選擇Module選項(xiàng)，上載網(wǎng)絡(luò)并建立PF700變頻器EDS文件[2］。等上載完成后，在參數(shù)列表中進(jìn)行所需的更改并保存，如圖8所示。

圖6 RS5000軟件硬件組態(tài)圖

圖7 DeviceNet網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備掃描圖

圖8 DeviceNet設(shè)備對(duì)話框

第五步:將組態(tài)程序下載，并將1769-SDN置于RUN狀態(tài)。通過(guò)RS5000軟件通過(guò)查看標(biāo)簽，驗(yàn)證通信是否正常，如圖9所示。

圖9 硬件組態(tài)創(chuàng)建標(biāo)簽圖

3.2 控制系統(tǒng)傳動(dòng)點(diǎn)速度鏈設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)精度高、穩(wěn)定性好、操作方便的數(shù)字式控制系統(tǒng)速度鏈，必須研究速度鏈的控制原理。兩個(gè)相鄰傳動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)行速度應(yīng)保持一定的比例，在車(chē)速調(diào)整過(guò)程中，只影響本傳動(dòng)點(diǎn)和后面的傳動(dòng)點(diǎn)，而不影響前面各傳動(dòng)點(diǎn)的速度，每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)在前一級(jí)傳動(dòng)點(diǎn)速度基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整并將速度給定信號(hào)傳送給下級(jí)傳動(dòng)點(diǎn)，形成一個(gè)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，稱(chēng)為速度鏈。根據(jù)紙機(jī)傳動(dòng)控制要求，傳動(dòng)控制速度鏈精度應(yīng)在0.01% ～0.04%之間，這與紙幅的伸縮率有關(guān) 。本系統(tǒng)速度鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用二叉樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)法，完成速度鏈傳遞功能。首先對(duì)各傳動(dòng)點(diǎn)控制工藝進(jìn)行分析，確定傳動(dòng)點(diǎn)在速度鏈中的具體位置和作用，然后對(duì)設(shè)計(jì)好的速度鏈中的傳動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行通信地址設(shè)置，并準(zhǔn)確記錄地址號(hào)碼[3-4］。本系統(tǒng)進(jìn)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工藝情況分析，速度鏈設(shè)計(jì)如圖10所示。

此系統(tǒng)中驅(qū)網(wǎng)輥?zhàn)鳛樗俣孺溨械闹鱾鲃?dòng)節(jié)點(diǎn)，它的速度是整個(gè)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的工作車(chē)速，在控制系統(tǒng)的人機(jī)界面，改變驅(qū)網(wǎng)輥的運(yùn)行車(chē)速給定值，就調(diào)節(jié)了整個(gè)紙機(jī)車(chē)速。驅(qū)網(wǎng)輥的速度給定值傳送給它的兩個(gè)從點(diǎn)真空伏輥、導(dǎo)網(wǎng)輥和下一分部主點(diǎn)一壓下輥。從點(diǎn)真空伏輥和導(dǎo)網(wǎng)輥根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝情況，在人機(jī)界面通過(guò)速度微升微降調(diào)節(jié)，達(dá)到從點(diǎn)速度調(diào)節(jié)的目的。下一分部主點(diǎn)一壓下輥得到驅(qū)網(wǎng)輥的速度值，也通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，得到一壓下輥的速度給定值。一壓下輥將速度給定值傳送到自己的兩個(gè)從點(diǎn):一壓上輥、真空吸移輥和下一分部主點(diǎn)二壓下輥。一壓上輥和真空吸移輥通過(guò)人機(jī)界面速度微升微降進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到從點(diǎn)速度調(diào)節(jié)的目的[3-4］。就這樣依次類(lèi)推，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)速度鏈的速度給定和調(diào)節(jié)，構(gòu)成了速度鏈控制系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)原理如圖11所示。

3.3 主從傳動(dòng)點(diǎn)負(fù)荷分配設(shè)計(jì)

圖12 負(fù)荷分配控制原理

表3 變頻器部分參數(shù)

在紙機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，有幾臺(tái)電機(jī)同時(shí)拖動(dòng)同一負(fù)載的現(xiàn)象，如網(wǎng)部真空伏輥、驅(qū)網(wǎng)輥、導(dǎo)網(wǎng)輥同時(shí)拖動(dòng)一條成形網(wǎng)。這樣的傳動(dòng)系統(tǒng)如果只要求速度完全同步并不能滿足工藝要求，各傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)必須出力相同，否則會(huì)出現(xiàn)傳動(dòng)點(diǎn)電機(jī)負(fù)載不一，甚至電動(dòng)機(jī)成為發(fā)電機(jī)的情況，影響正常抄紙，甚至有可能撕壞毛布或造成斷紙[5］。針對(duì)此問(wèn)題，必須設(shè)計(jì)傳動(dòng)點(diǎn)主點(diǎn)和從點(diǎn)負(fù)荷分配。紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的負(fù)荷分配要求系統(tǒng)速度穩(wěn)定、分配平衡、穩(wěn)定無(wú)振蕩、能夠隨時(shí)適應(yīng)負(fù)載變化。本系統(tǒng)采用PLC+變頻器二級(jí)傳動(dòng)控制方式，PLC與變頻器通過(guò)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)通信，交換數(shù)據(jù)。負(fù)荷分配的設(shè)計(jì)原則是主點(diǎn)和從點(diǎn)電機(jī)的負(fù)載率相同，即δ=P/Pa相同 (P為電機(jī)所承擔(dān)的負(fù)載功率，Pa為電機(jī)額定功率)。在負(fù)荷分配調(diào)節(jié)過(guò)程中不能影響本傳動(dòng)組以外各分部的速度。PLC通過(guò)通信讀取主點(diǎn)和從點(diǎn)變頻器的實(shí)際轉(zhuǎn)矩反饋值，將實(shí)際轉(zhuǎn)矩反饋值進(jìn)行比較，計(jì)算出從點(diǎn)的速度給定值，再通過(guò)DeviceNet通信將從點(diǎn)速度給定值傳送到各從點(diǎn)變頻器，以加大或減小從點(diǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，使形成負(fù)荷分配的主點(diǎn)和從點(diǎn)轉(zhuǎn)矩相同，達(dá)到負(fù)荷分配的目的，此設(shè)計(jì)方法控制精度高，工作可靠。負(fù)荷分配控制原理如圖12所示。

3.4 PF700變頻器參數(shù)設(shè)置說(shuō)明

各傳動(dòng)點(diǎn)的PF700變頻器參數(shù)設(shè)置基本一致，主要實(shí)現(xiàn)速度控制或轉(zhuǎn)矩限幅控制，通過(guò)DeviceNet進(jìn)行通信，達(dá)到精確控制電機(jī)的目的。以驅(qū)網(wǎng)輥為例，變頻器的部分參數(shù)設(shè)置如表3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

基于DeviceNet通信方式的紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)，通信響應(yīng)速度快，運(yùn)行穩(wěn)定可靠;通過(guò)硬件設(shè)計(jì)和軟件編程實(shí)現(xiàn)了紙機(jī)連鎖控制，大大提高了傳動(dòng)控制的自動(dòng)化程度;科學(xué)合理的速度鏈設(shè)計(jì)和負(fù)荷分配設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)在運(yùn)行中速度穩(wěn)定、負(fù)載分配合理、很大程度上減少斷紙。此控制系統(tǒng)完全符合現(xiàn)代紙機(jī)自動(dòng)化的設(shè)計(jì)要求，在工程運(yùn)行中，客戶反映良好。

[1]MENG Yan-jing.Principles and design of variable-frequency drive of paper machine[M］.Xi'an:Shaanxi People Publishing House，2002.孟彥京.造紙機(jī)變頻傳動(dòng)原理與設(shè)計(jì)[M］.西安:陜西人民出版社，2002.

[2]Rockwell Automation.PowerFlex750 series ac inverter user Manual[S］.2009.羅克韋爾自動(dòng)化公司.PowerFlex700系列交流變頻器用戶手冊(cè)[S］.2009.

[3]WANG Su-e，HAO Peng-fei，MENG Yan-jing.Design and Analysis of Load distribution in Driving System of Paper Machine[J］.China Pulp ＆ Paper，2004，23(8):38.王素娥，郝鵬飛，孟彥京.紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)荷分配控制的分析與設(shè)計(jì)[J］.中國(guó)造紙，2004，23(8):38.

[4]WANG Hong-yan，WU Yan-hui，CHEN Jing-wen.The Design of Speed Chain and Principle in Paper Machine[J］.Heilongjiang Pulp ＆ Paper，2007(1):42.王紅艷，吳彥銳，陳景文.造紙機(jī)速度鏈的設(shè)計(jì)與工作原理[J］.黑龍江造紙，2007(1):42.

[5]MENG Yan-jing，ZHANG Yan.Application of ACS800 Inverter in Load Distribution of 2600/350 Multi-cylinder Paper Machine[J］.China Pulp ＆ Paper，2014，33(2):47.孟彥京，張 焱.ACS800在2600/350多缸紙機(jī)負(fù)荷分配中的應(yīng)用與研究[J］.中國(guó)造紙，2014，33(2):47.