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應(yīng)用設(shè)計(jì)

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TMEIC集成控制系統(tǒng)在高速衛(wèi)生紙機(jī)的應(yīng)用

TMEIC集成控制系統(tǒng)在高速衛(wèi)生紙機(jī)的應(yīng)用

引言

  近年來,全球化經(jīng)濟(jì)飛快發(fā)展,形成了很多跨國(guó)家、跨區(qū)域的大型集團(tuán)公司,隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈,企業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大和發(fā)展,也大量引進(jìn)了境外先進(jìn)技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備。這對(duì)加快我國(guó)科技進(jìn)步,起到了推進(jìn)作用。海南金海漿紙為印尼金光集團(tuán)所屬亞洲漿紙業(yè)股份有限公司(Asia Pulp & Paper,簡(jiǎn)稱APP)在中國(guó)最大的漿紙廠,2013年新增項(xiàng)目12條衛(wèi)生紙機(jī)生產(chǎn)線,其自動(dòng)化系統(tǒng)核心,采納了TMEIC公司的最新傳動(dòng)和V-系列集成控制系統(tǒng)。

  12臺(tái)衛(wèi)生紙機(jī)分布從TM31到TM42,下文以TM31紙機(jī)為例,來介紹TMEIC自動(dòng)控制系統(tǒng)在該衛(wèi)生紙機(jī)的通信配置結(jié)構(gòu)。

  紙機(jī)基本參數(shù):紙幅寬度:2860mm;紙機(jī)速度:1800m/min;爬行速度:30m/min;紙張質(zhì)量:13~18g/m2;折皺率:10~30%;紙機(jī)傳動(dòng)點(diǎn):11臺(tái)電機(jī);

  烘缸(Yankee)由意大利Acelli公司提供,兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng),紙機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到2660kW。

1.紙機(jī)全線網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化結(jié)構(gòu)

  全線整套網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)層DCS、QCS,現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)層V-系列集成控制器,I/O現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)層組成,通常,我們將傳動(dòng)系統(tǒng)歸納于I/O現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)層。如圖一所示。

  變頻器與EGD之間通過Ethernet工業(yè)以太網(wǎng)通訊,工程師站與PLC及變頻器皆通過Ethernet以太網(wǎng)。PLC與EGD之間數(shù)據(jù)交流的是FL-Net總線。

  我們知道,DCS集散控制系統(tǒng),是將儀表控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制有機(jī)結(jié)合起來,完成常規(guī)的電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓執(zhí)行元件的控制任務(wù),比如紙機(jī)邏輯聯(lián)鎖、電機(jī)啟制動(dòng)、PID及智能控制等等。大量有效繁瑣的工作由DCS來完成。QCS是質(zhì)量管理控制系統(tǒng),是將紙機(jī)生產(chǎn)的紙張定量、水分等進(jìn)行監(jiān)控和控制,對(duì)紙張生產(chǎn)的成本和效益,有重要意義。

  本紙機(jī)將DCS、QCS與TMEIC可編程控制器有效集成,使得工藝生產(chǎn)流程、設(shè)備控制流程及輔助配套系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò),形成了高性能的衛(wèi)生紙機(jī)自動(dòng)化控制生產(chǎn)線。

2.紙機(jī)集成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

  紙機(jī)PLC系統(tǒng)采用TMEIC主流產(chǎn)品V系列2000集成控制器,這是一種可以將順序控制、計(jì)算機(jī)控制、回路控制以及與外部控制器自由組合的控制器

以TMEIC集成控制系統(tǒng)為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖2。

2.1 系統(tǒng)硬件

  V系列-2000(Model 2000)是TMEIC公司的中型PLC系統(tǒng)。主機(jī)架配置:機(jī)架背板型號(hào)BU648E,可帶擴(kuò)展單元。9個(gè)插槽,5個(gè)主模板插槽和4個(gè)I/O接口輔助模板插槽。其中5個(gè)插槽帶站總線(with station bus),S0#、S1#插槽固定,分別插主處理器模板S2PU82A和以太網(wǎng)接口模板EN651。PS691為主機(jī)架電源模板,可接入110V-220V交流電源,功耗40W。S2PU82A為順序控制器CPU模板,處理速度40ns,內(nèi)存類型為Flash ROM和SRAM,用戶程序在此模板中進(jìn)行高速運(yùn)算處理。DI635和DO635為64位直流輸入輸出I/O控制器并行模板,AD628S和DA664是模擬量輸入輸出模板,與順序控制器模塊S2PU82A配合使用。EN651以太網(wǎng)接口模板,用于PLC與工程師站、V-Tool間通訊,通訊傳輸介質(zhì)100base-TX/10base-T。FL612是FL-NET網(wǎng)接口模板,傳動(dòng)系統(tǒng)和PLC間通信采用FL-NET總線,光纖連接。

  PF612是Profibus接口模板,用于TMEIC PLC與上級(jí)DCS之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。

  在本系統(tǒng)中,DCS作為上位機(jī),TMEIC PLC作為從站使用。

2.2 系統(tǒng)軟件

  V系列PLC系統(tǒng)在V-Tool軟件包運(yùn)行基礎(chǔ)上完成模板組態(tài),它采用3種語言編程,遵循IEC標(biāo)準(zhǔn):梯形圖(LD)、功能塊(FBD)以及順序塊(SFC)?;緟?shù)變量解釋如下:task指用戶所編寫的程序;Local variables指在本task中使用變量;Station(Global) variables指在同一站里的CPU中task通用變量;Controller(Global) variables指在某一CPU模塊中通用變量;I/O variables指在同一站內(nèi)通用變量,在多CPU系統(tǒng)中,對(duì)于輸出點(diǎn)必須定義到具體的CPU模板;System Global (Network)variables指TC-net局域網(wǎng)站中所有CPU中task通用變量。task掃描時(shí)間可分設(shè)定參數(shù)掃描(constant scan)和動(dòng)態(tài)掃描(floating scan)兩種。設(shè)定參數(shù)掃描指事先設(shè)定好掃描時(shí)間,動(dòng)態(tài)掃描取決于程序執(zhí)行時(shí)間。

2.3 系統(tǒng)傳動(dòng)

  紙機(jī)主要工藝設(shè)備包括1臺(tái)成形輥電機(jī)、1臺(tái)抽吸壓輥電機(jī)、2臺(tái)烘缸電機(jī)、1臺(tái)卷取電機(jī)、1臺(tái)空輥加速電機(jī)、2臺(tái)扇泵電機(jī),2臺(tái)循環(huán)風(fēng)機(jī),1臺(tái)排氣風(fēng)機(jī)。具體如下:

1#變頻器:成形輥(FORMING ROLL)

2#變頻器:抽吸壓輥(SUCTION PRESS MASTER)

3#變頻器:烘缸1#電機(jī)(YANKEE DRIVE 1 MASTER)

4#變頻器:烘缸2#電機(jī)(Yankee DRIVE 2 HELPER)

5#變頻器:卷取(REEL ROLL)

6#變頻器:空輥加速(SPOOL STARTER)

7#變頻器:排氣風(fēng)機(jī)(EXHAUST FAN)

8#變頻器:干端循環(huán)風(fēng)機(jī)(CIRCULATION FAN DRY END)

9#變頻器:濕端循環(huán)風(fēng)機(jī)(CIRCULATION FAN WET END)

10#變頻器:扇泵A(FAN PUMP A)

11#變頻器:扇泵B(FAN PUMP B)

  電機(jī)為交流異步電機(jī),紙機(jī)設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速為1800m/min,傳動(dòng)控制系統(tǒng)為TMdrive-10e2,PWM控制的交直交變頻矢量控制系統(tǒng),功率元件采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。

  傳動(dòng)逆變器柜類型較多,250KVA以下為抽屜式,250KVA以上為柜式結(jié)構(gòu),根據(jù)電機(jī)容量的差異來選用不同容量控制系統(tǒng),用于紙機(jī)的變頻控制。

  逆變器的傳動(dòng)矢量控制組成:速度給定環(huán)節(jié)、速度調(diào)節(jié)器、D/Q軸電流調(diào)節(jié)器、磁通調(diào)節(jié)器、電壓調(diào)節(jié)器、PWM控制器等組成。主板在矢量控制系統(tǒng)完成IGBT觸發(fā)信號(hào)后,把觸發(fā)脈沖傳送到逆變器,控制IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷,得到所需電機(jī)近似于正弦波的輸入電壓和頻率,進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.4 數(shù)據(jù)通信

  傳動(dòng)系統(tǒng)和PLC間通信采用FL-NET總線,光纖連接,變頻器與HUB之間,以太網(wǎng)通訊。結(jié)構(gòu)仍以圖2為例。

  PLC系統(tǒng)配置了一塊FL612接口模塊和一塊EGD模塊,與各變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。各變頻器地址均在EGD中配置,傳動(dòng)與PLC的通信及傳動(dòng)與傳動(dòng)之間的通信都是通過EGD來完成數(shù)據(jù)交換的。

  FL-NET網(wǎng)絡(luò)以Ethernet為物理層,采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),是日本采納的一種PLC網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn),其協(xié)議棧高層為UDP/IP+ UDP/IP+獨(dú)自循環(huán)通信協(xié)議,保證了通信的實(shí)時(shí)性。

  完成PLC系統(tǒng)與傳動(dòng)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交換基于EGD(Ethernet Global Data)以太網(wǎng)全局?jǐn)?shù)據(jù)處理通信,EGD協(xié)議是美國(guó)GE自動(dòng)化公司基于以太網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)交換協(xié)議,它以數(shù)據(jù)報(bào)文形式在一個(gè)發(fā)送者和多個(gè)發(fā)送者之間實(shí)現(xiàn)100Mbps數(shù)據(jù)高速傳送,遵循UDP/IP獨(dú)自循環(huán)通信協(xié)議。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔短,安全性強(qiáng),不易丟失,各站為雙向角色,既是服務(wù)器也是客戶端。

3. 系統(tǒng)控制功能

  TMEIC集成控制器完成整個(gè)紙機(jī)的速度計(jì)算與控制、負(fù)荷分配計(jì)算與控制、電機(jī)同步計(jì)算與保護(hù)等功能。

  衛(wèi)生紙機(jī)的速度基準(zhǔn)以烘缸Yankee為準(zhǔn),Yankee烘缸由兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng),1#Yankee電機(jī)為master,控制方式為速度控制,2#Yankee電機(jī)為slave,控制方式為轉(zhuǎn)矩控制,兩臺(tái)電機(jī)為一個(gè)整體,要求速度同步。

  抽吸壓輥(SUCTION PRESS)和成形輥(FORMING ROLL)通過網(wǎng)布,形成一個(gè)整體,要求速度同步。在抽吸壓輥靠上烘缸之前,抽吸壓輥為master,速度控制模式;當(dāng)抽吸壓輥靠上烘缸以后,抽吸壓輥轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩控制模式,這時(shí)候,Yankee1為master,抽吸壓輥和成形輥轉(zhuǎn)變成Yankee1的從動(dòng)輥,其控制模式轉(zhuǎn)成轉(zhuǎn)矩控制。

SP_R:速度給定T_R:轉(zhuǎn)矩給定IQ_R:轉(zhuǎn)矩分量給定  IQ_F:IQ電流反饋

SP_F:速度反饋FL_R:磁通給定ID_R:磁場(chǎng)分量給定  ID_F:ID電流反饋

TENS_R:轉(zhuǎn)矩給定

  圖3為傳動(dòng)矢量控制圖。從圖中可以看出,逆變器的傳動(dòng)矢量控制由速度給定環(huán)節(jié)、速度調(diào)節(jié)器、D/Q軸電流調(diào)節(jié)器、磁通調(diào)節(jié)器、電壓調(diào)節(jié)器、PWM控制器等組成。

  在正常速度控制模式下,速度給定值(SP_REF1)通過FL-Net總線從PLC傳送到矢量控制系統(tǒng)給定積分單元,該單元將階躍信號(hào)(SP_REF)轉(zhuǎn)換為按一定變化率隨時(shí)間而增減的輸出信號(hào)(SP_R),作為速度給定值,使調(diào)速系統(tǒng)的速度帶有一定的加速度,并對(duì)加速度和減速度分別作出限幅再送到速度調(diào)節(jié)器。

  當(dāng)速度控制模式轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩控制模式時(shí),從動(dòng)輥的速度環(huán)是開環(huán)的,這樣,電流環(huán)內(nèi)環(huán)給定“TENS_R2”直接來自于主動(dòng)輥的實(shí)際轉(zhuǎn)矩電流“T_R”。負(fù)荷分配系數(shù)從DCS給定,調(diào)整范圍0.5-1.5。

4.結(jié)論

  TMEIC的TMdrive-10e2傳動(dòng)系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)在完成調(diào)試投入生產(chǎn)以來,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,故障率很低,各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]佟純厚. 近代交流調(diào)速[M].北京:北京冶金出版社,1995.

[2]趙鋼城. 高壓IGBT變頻器在連軋軋機(jī)的應(yīng)用.北京:冶金自動(dòng)化,2006.

[3]TOSHIBA Model 2000 Sequence Controller S2 User's Manual-Basic Hardware

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王靜
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