趙永國(guó) 秦立剛

(山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所,山東濟(jì)南,250014)

·變頻器應(yīng)用·

MM440變頻器在紙卷包裝機(jī)上的應(yīng)用

趙永國(guó) 秦立剛

(山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所,山東濟(jì)南,250014)

介紹了西門子MM440變頻器在紙卷包裝機(jī)上的應(yīng)用。簡(jiǎn)述了項(xiàng)目的工藝及方案選擇,詳述了整個(gè)控制系統(tǒng)的選型、硬件配置、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、通訊方式、參數(shù)設(shè)定,以及系統(tǒng)如何從軟硬件兩方面實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jiǎn)介

紙卷包裝機(jī)是造紙完成生產(chǎn)線必備的包裝設(shè)備之一,其主要功能是對(duì)紙卷的外層進(jìn)行包裝,以便于運(yùn)輸和存儲(chǔ)。包裝材料一般是牛皮紙,包裝層數(shù)一般為3～5層。

紙卷包裝機(jī)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(qū)動(dòng)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(gè)紙卷包裝系統(tǒng)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(dòng)車、裝紙汽缸、導(dǎo)向輥和電機(jī)組成。

(2)送紙部分:由送紙驅(qū)動(dòng)輥、氣動(dòng)壓輥、改向輥、托紙梁、夾紙器、送紙盒和電機(jī)組成。

(3)卷紙部分:由紙卷驅(qū)動(dòng)輥和電機(jī)組成。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)硬件配置

紙卷包裝機(jī)的放紙、送紙和卷紙是通過交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng),3臺(tái)電機(jī)的調(diào)速由S7-300PLC通過PROFIBUS總線控制3臺(tái)MM440變頻器來實(shí)現(xiàn)。

2.2 MM440變頻器特點(diǎn)

(1)豐富的控制功能

可以滿足各行業(yè)的驅(qū)動(dòng)控制要求,在本控制系統(tǒng)中,采用矢量控制方式來驅(qū)動(dòng)各分部電機(jī)。

(2)強(qiáng)大的通訊功能

具有標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口,方便上位機(jī)通訊,PROF IBUS通訊可選件可以將MM440掛上開放的、快速的DP網(wǎng),實(shí)現(xiàn)高性能的通訊控制[1]。

表1 控制系統(tǒng)主要硬件清單

(3)自由功能塊和B ICO技術(shù)

MM440具有區(qū)別一般通用變頻器的自由塊和B I CO技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)靈活的組態(tài)設(shè)計(jì),完成工藝復(fù)雜的控制要求[2]。

(4)多種參數(shù)設(shè)置方式

通過基本操作板、高級(jí)操作板進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,也可利用S IMOV IS和DR IVE MON ITER調(diào)試軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,同時(shí)可以運(yùn)用調(diào)試軟件監(jiān)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(dá)到目的:通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)和通過控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)[3]。

2.3.1 速度模式下的張力閉環(huán)控制

速度模式下的張力閉環(huán)控制是通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到張力恒定的。首先由紙卷的線速度和紙卷的卷徑實(shí)時(shí)計(jì)算出同步匹配頻率指令,然后通過張力檢測(cè)裝置反饋的張力信號(hào)與張力設(shè)定值構(gòu)成P ID閉環(huán),調(diào)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(jī)極對(duì)數(shù)(變頻器根據(jù)電機(jī)參數(shù)自動(dòng)獲得);i為機(jī)械傳動(dòng)比;D為卷筒的卷徑;F1為變頻器的運(yùn)行頻率;ΔF為P ID調(diào)節(jié)輸出量。

這種控制模式下要求變頻器的P ID調(diào)節(jié)性能要好,同步匹配頻率指令要準(zhǔn)確,這樣系統(tǒng)更容易穩(wěn)定,否則系統(tǒng)就會(huì)震蕩、不穩(wěn)定。

2.3.2 轉(zhuǎn)矩模式下的張力控制

(1)轉(zhuǎn)矩模式下的張力開環(huán)控制

在這種模式下,無需張力檢測(cè)反饋裝置,就可以獲得更為穩(wěn)定的張力控制效果,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,效果較好。但變頻器需工作在閉環(huán)矢量控制方式,必須安裝測(cè)速電機(jī)或編碼器,以便對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速做精確測(cè)量反饋。轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式如下:

式中:T為變頻器輸出轉(zhuǎn)矩指令;F為張力設(shè)定指令;i為機(jī)械傳動(dòng)比;D為卷筒的卷徑。

電機(jī)的轉(zhuǎn)矩被計(jì)算出來后,用來控制變頻器的電流環(huán),這樣就可以控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制多用在對(duì)張力精度要求不高的場(chǎng)合。

(2)轉(zhuǎn)矩模式下的張力閉環(huán)控制

張力閉環(huán)控制是在張力開環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加了張力反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)。通過張力檢測(cè)裝置反饋張力信號(hào)與張力設(shè)定值構(gòu)成P ID閉環(huán)調(diào)節(jié),調(diào)整變頻器輸出轉(zhuǎn)矩指令,這樣可以獲得更高的張力控制精度。其張力計(jì)算與開環(huán)控制相同。

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

2.3.3 變頻器參數(shù)設(shè)定及優(yōu)化

(1)快速調(diào)試參數(shù)

P00003=3用戶訪問等級(jí)為專家級(jí)

P0010=1開始快速調(diào)試

P0304=380電機(jī)額定電壓380 V

P0305=4.5電機(jī)額定電流4.5 A

P0307=2.2電機(jī)額定功率2.2 kW

P0308=0.85電機(jī)功率因數(shù)

P0311=1400電機(jī)額定轉(zhuǎn)速

P0355=2電機(jī)冷卻方式自冷內(nèi)置風(fēng)機(jī)冷卻

P0640=150電動(dòng)機(jī)過載因子150%

P0700=2命令由端子排輸入

P1000=6頻率設(shè)定COM鏈路的通訊板設(shè)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(shí)間10 s

P1121=3斜坡下降時(shí)間10 s

P1300=22控制方式無傳感器的矢量轉(zhuǎn)矩控制

P3900=1結(jié)束快速調(diào)試

(2)編碼器參數(shù)

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(shù)1000

P0492=5允許的速度偏差5個(gè)脈沖

P0494=100速度信號(hào)丟失時(shí)的措施延遲時(shí)間100 ms

(3)其他參數(shù)

P1230=0使能直流制動(dòng)

P1233=0直流制動(dòng)的持續(xù)時(shí)間

P1236=0復(fù)合制動(dòng)電流

P1240=0直流電壓控制器的配重

P1237=5動(dòng)力制動(dòng)的工作/停止周期

P1254=0Vdc接通電平的禁止自動(dòng)檢測(cè)

P1520=5.13轉(zhuǎn)矩限幅

P1521=-5.13轉(zhuǎn)矩限幅

2.3.4 應(yīng)用體會(huì)

(1)在項(xiàng)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(shè)備的關(guān)鍵控制點(diǎn),懂得其控制原理才能拿出最佳方案,才能保證設(shè)備達(dá)到最佳的性價(jià)比。

(2)在MM440調(diào)試中有以下幾點(diǎn)容易被忽視:①在更改命令源P0700時(shí),所有的數(shù)字量輸入輸出都將復(fù)位。控制對(duì)象為位能負(fù)載并使用數(shù)字量輸出控制抱閘時(shí),更改P0700會(huì)造成溜車。②適用帶編碼器的矢量控制方式的電機(jī)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)結(jié)束后會(huì)自動(dòng)更改P0492(允許速度偏差),如運(yùn)行中容易發(fā)生F0090故障可以適當(dāng)增大此值。③AOP高級(jí)操作板只能上裝下載第3訪問級(jí)以下的參數(shù)(包括第3級(jí)別),在變頻器之間拷貝參數(shù)組時(shí),用戶必須在此對(duì)變頻器進(jìn)行快速調(diào)試和飽和曲線自動(dòng)檢測(cè)(P1910=3),從而修改變頻器第4訪問級(jí)參數(shù)。使用PC調(diào)試軟件STARTER或者DR IVEMON ITOR軟件可以上裝下載全部級(jí)別的參數(shù)。

(3)在需要使用AOP對(duì)多臺(tái)相同變頻器進(jìn)行參數(shù)下載操作時(shí)應(yīng)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(duì)不同軟件版本的變頻器重新調(diào)試。

3 結(jié) 語(yǔ)

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(qiáng)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(dá)到250 kW之后,MM440變頻器在國(guó)內(nèi)中小型造紙機(jī)中將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。今后將繼續(xù)使用變頻器的無傳感器的矢量控制功能,并在不斷應(yīng)用實(shí)踐中完善參數(shù),發(fā)揮變頻器的最大作用以提高產(chǎn)品的性能。

[1] 西門子(中國(guó))有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán).M ICROMASTER 440使用說明書[S].2003.

[2] 西門子(中國(guó))有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán).M ICROMASTER 440入門指南[S].2007.

[3] 唐國(guó)蘭,陳凌珊,吳云忠.基于變頻器的張力控制及應(yīng)用[J].包裝與食品機(jī)械,2003,21(5):15.

[4] 張忠民.交流變頻閉環(huán)系統(tǒng)在造紙機(jī)上的應(yīng)用[J].中國(guó)造紙, 1993,12(2):18.

(責(zé)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(guó)先生,博士;主要研究方向:過程控制、系統(tǒng)辨識(shí)、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用、機(jī)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(guó)家863計(jì)劃“造紙行業(yè)包裝搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用”(2007AA04Z260)基金資助。