SB80变频器在包装纸机中的应用

摘要：造纸生产流程中，各分部之间需要速度协调控制；在某些分部，如压榨部压榨形式采用真空辊带K式压榨时,为使K式压榨各传动电机根据各自的功率配置合理承担负荷功率输出,需采用负荷分配控制形式.整个生产线的速度协调问题可以选用PLC作为上位机，利用通讯实现对变频器的控制。森兰SB80变频器提供了丰富的串口协议，可方便组网控制。
关键词：SB80变频器，组网控制，负荷分配， USS协议，RS-485接口
1. 应用背景
在普通的造纸多电机分部传动控制系统中，以速度控制为基础，各分部之间的速度需要协调控制。根据工艺要求，在网部采用K式压榨的分部需结合负荷分配控制，对电气传动自动化控制有如下要求：
1) 起动要求
纸机中存在传动惯量较大的分部，如烘缸，需要平稳起动，避免引起机械连轴的损坏。
2) 速度要求
造纸机由纸浆到成纸，需经过压力喷浆上浆、压榨、干燥、压光和卷绕等多个分部，是一个多单元的速度协调控制系统，各个分部间的速度有着较严谨的速度比例关系，否则会造成断纸或者过度松弛，影响成纸的物理指标，而且不能稳定纸页的定量控制，影响产品质量。因此纸机的各分部都要有精度较高稳速性能。
纸机正常工作时，工艺上的变化速度的调节范围不大，一般只在10－15％；在纸机调整时，如检查调整网笼、毛毯，烘干部预热时要低速爬行，车速约为20m/min，对稳速没有要求。
3) 各分部调速的要求
如图1所示的造纸机工艺流程平面图，纸机上的纸受到牵引力的作用，在网部和压榨部产生纵向伸长，在干燥部纵向继续伸长，当纸张含水量降低后，纸张减少纵向伸长变形，在纸张进入压光机和卷纸机时，纸张再度牵引而伸长，因此在整个纸机生产线中，各个分部的速度是不同的，这样可以保持纸幅张力。同时，纸机各分部的速度必须是可以调节的，这样可以避免纸幅松弛或过度绷紧而断纸。由于造纸机无须频繁起动，且工艺要求的变速范围不大，所以稳速是纸机电气传动自控的最主要目标。

图1 造纸机工艺流程平面示意图

在控制系统中，由于需要多电机同步控制，采用西门子S7-200PLC的USS协议进行组网来控制不同分部的变频器实现对电机变频调速，从而达到纸机传动的协调控制。具体配置为CPU226PLC,操作控制台、DI/DO扩展模块、屏蔽双绞线、兼容USS协议的SB80变频器等。
森兰SB80变频器具有丰富的控制功能，可以满足大多数行业的驱动控制需求，在本控制系统中，采用无PG矢量控制方式及v/f控制模式来驱动各分部电机，并且实现压榨部负荷链的负荷分配；强大的通讯功能方便与上位机通讯，支持Modbus厂家协议和USS协议； 强大的可编程算术逻辑单元，用户可以灵活地组合设计，满足复杂工艺的控制要求；多种频率给定方式：基本操作面板、通讯设置、多段频率设置、MOP给定、模拟给定等。
2. 纸机的电气控制
2.1纸机速度控制
由于各分部传送着生产过程中的纸张，根据造纸工艺的要求，保持后一级张力略大于前一级，需要各分部间线速度比例协调控制，高精度、可靠地保持这个比例系数就能保证产品产量、质量。同时，纸机的这种速度比例协调关系应在改变车速或停机后重新开机继续保持，不需重新调节。各分部独立控制，且具有灵敏的微升.微降及绷紧等调节功能，便于操作调节与前后两分部间的速差，避免纸张在传送过程中的过度松弛和绷紧断纸现象，其关系式如下：
式中： 为第i级的转速； 为第i级与前一级的速比； 为第i级的微调量。
在纸机控制中，采用USS协议通讯结合PLC程序来完成速度链的控制，便于实现变频器给定的数字化控制，避免了模拟控制器速度链给定环节的信号漂移，提高了稳定性。
本例中的纸机主要生产包装用纸，对速度的稳定性及动态响应有较高的要求。由于SB80工程型变频器具有良好的矢量控制特性，较高的频率给定分辨率和输出频率精度，很高的静态和动态的控制精度，可以满足连续、高效生产应用的需求。
2.2主从负荷分配控制
在造纸传动控制中多个传动点带动一块网布或多个传动对象,相互施压合成一定力矩且同步运转的情况,要使各关联传动电机根据各自的配置按比例合理承担功率输出,需采用负荷分配控制形式,如果负荷分配调节不好，将会造成整个负荷环路各传动点负载失衡,线速不同步，无法正常运行.负荷分配控制如图2所示。在本例中，网部的复压下辊作为主传动，真空压榨为辅传动。主传动采用基本的速度控制方式，从传动采用负荷分配控制。在从机控制中，运用SB80内部PID修正频率主给定，以主传动的转矩输出作为从机PID给定值，从传动的转矩输出经低通滤波后作为PID反馈值。为了提高控制精度，可以调节PID给定量和反馈量的增益，如200％。这样做保证了控制精度，提高了系统稳定性。

图2. 负荷分配控制

3. 调试和系统参数设置
3.1 RS-485接线
1) 使用屏蔽双绞线，屏蔽层浮地，避免干扰从地线引入；
2) 利用屏蔽线的屏蔽层构成通讯的低阻信号回路，仅对高阻型共模干扰有效；
3) 电机和变频器可靠接地，减少电机对变频器的干扰；
4) 变频器的GND、PE接线不要形成环路。

图3. 基本接线接地图

3.2 各变频器参数设置
表1. 各变频器基本的参数设置表

表2. 负荷分配的从机参数设定表(本例中真空压榨机为辅传动)

图4 森兰SB80现场安装图

通过一段时间的生产运行验证，整个系统运行稳定，调节控制灵活自如。我们在1#、3#大缸及卷纸传动分部试改装置西门子MM440变频器做兼容USS通讯协议混合通讯控制运行。结果证明，在一般应用上完全可以兼容混合使用。
4. 结论
1) SB80变频器高性能的矢量控制，实现了负荷分配，克服纸机由于工艺参数的变化引起的速度波动，保证纸机速度的稳定性；
2) SB80强大的通讯功能，可以方便地与西门子PLC组网、与上位机通讯等；
3) 本例提供了变频器及PLC组网在造纸行业内的应用实例，使得国内更多的中小型造纸企业可以实现节能的变频控制。