基于现场总线控制的变频器在干法造纸生产系统中的应用

1． 引言
无尘纸是一种高附加值的新型卫生用品。它具有卓越的高吸湿性、可靠锁水性、卫生安全性等优点，广泛应用于妇女卫生巾、成人尿失禁、婴儿纸尿裤等产品领域。为满足亚太地区对无尘纸日益增长的市场需求，世界无纺布行业巨头英国BBA集团于1999年在中国天津投资成立了博爱（中国）膨化芯材有限公司；并安装了目前世界上最先进的干法造纸（无尘纸）生产线，于2001年秋正式投产，年生产能力16000吨。

2． 干法造纸（无尘纸）生产工艺简介：
干法造纸要求十分严格稳定的生产条件，与传统的湿法造纸技术完全不同。其核心是浆粕气流成网技术。基本工艺过程是：在恒温、恒湿、恒气压的环境中利用气流成网技术，按照不同比例配比开松成单纤维状态的木浆纤维板、合成短纤维、PE（聚乙烯）粉末和SAP(超级吸湿粉末)等原料，从它们各自的原料准备区域，经过设备自动测算和计量，然后用风机管道气流传输方法使它们输送到成型站。各种原料在成型站的成型头内充分混合后，靠真空吸附均匀地凝集在成网皮带上，再经过喷胶、热风加热/熔化、热压、反面喷胶、热风加热/熔化，冷却、打卷，分切等过程，生产出优良产品。
各种原料经过从成型站成型直到成品打卷要经过10条不同的输送皮带。针对不同的产品，不但要求各原材料的进给量，风机速度，传动电机速度等连续可调节，而且驱动速度和转矩更要求严格准确，否则将对产品质量造成重大影响。

3.控制系统简介
我公司干法造纸无尘纸生产线全套从欧洲进口,是目前本行业内最先进的设备。其控制系统根据美国罗克韦尔公司的全方位自动化的理念而设计的开放式网络控制系统及设备。三层网络控制系统贯穿于整个生产控制区域。实现了从信息层(Ethernet) 到控制层（ControlNet）和现场层 (DeviceNet) 的无缝连接。
五台装有RSview32和RS logix5软件的A-B 工业PC机安装在中控室内，它们的以太网接口都连接到HUB上。该网通过HUB还与企业Intranet相连，通过TC P/IP协议组成Ethernet网络，构成信息（管理）层
生产线控制层由具有以太网功能的八台A-B PLC5和一台A-B SLC500可编程序控制器组成，它们都安装在MCC（马达控制中心）室内的控制柜内，分别控制九个工艺区域。它们的以太网接口都通过媒体转换设备经光纤连接到中控室的集线器（HUB）上。
各台可编程序控制器除挂接本地及远程I/O模块、Panel View人机界面等装置外，都安装了DeviceNet扫描器（1771-SDN或1747-SDN），并通过DeviceNet通讯模块（1336-GM5,1203-GK5，1794-ADN等）下挂现场智能设备，如变频器，电机软起动器，Flex I/O,9000系列光电开关等组成DeviceNet设备网，实现了对现场级装置的有效控制。

4． DeviceNet变频器设备网硬件组成和软件组态及控制实现。
DeviceNet网络结构简单，实时性强，它采用生产者／客户模式，提供了强有力的故障诊断与排除能力，是一种理想的设备层现场总线。
下面以PLC5-40/E为例子，介绍变频器设备网的连接方法。PLC5本地机架上都安装了DeviceNet扫描器模块（A-B 1771-SDN），它有两个通道，每个通道最多可以外接64个站。每个PLC利用本机网络扫描器通过DeviceNet通讯适配器 (1203-GK5或1336-GM5，) 来下挂本控制区域的各台现场总线设备。这些站点主要包括：A-B 变频器（1336F，1336E，160SSC系列，）A－B电机软起动器（SMC 150系列）等。
我公司采用的是雏菊链（Daisy　Chain）的环行连接形式的物理拓扑结构。，利用Belden标准圆形五芯屏蔽通讯电缆将各个站点连接起来。在首尾终端两站分别安装了终端电阻（121Ω，1%，1/4W）。 如下图1所示，雏菊链拓扑结构的DeviceNet变频器设备通讯网络示意图

我厂的设备分布比较分散，某些站点之间相距较远。因此所有DeviceNet网络的传输速率都设定为125KBPS, 以确保通讯可靠。[page]
网络硬件连接好后，就可以利用设备网RS-232-C的PC接口适配人器（1770-KFD）或设备网PC卡（1784-PCD）来实现PC机与PLC的设备网扫描器的通讯.
DeviceNet的管理软件RS Networx for DeviceNet 是基于Windows平台的软件，利用它可以组态设备网并进行项目管理和网络故障诊断等。它支持A-B及第三方设备组态电子数据表（EDS）。
组态过程中,首先应组态扫描器，设置扫描器与PLC之间的I/O地址界面，建立扫描器与各站适配器之间的通讯。组态网络上各个站时，先要定义各个站的地址(即站号)。站的地址可以不连续，但要与各站通讯模块的DIP开关设定相一致。
对于变频器、软起动器等设备类站点，我们采用显式报文（Explicit Message）的形式，分配PLC和各站之间发送/接收的字长;定义通讯方式(我们定义为polled 方式,每个扫描周期);建立变频器与PLC之间对应的“软”I/O关系。再通过PLC５的编程软件ＲＳlogix5编制出块传送（BTR/BTW）命令，实现ＰＬＣ对设备网上工作站I/O信息采集和控制。PLC控制程序就可以根据各站的工作状态向各站发出控制命令，以达到工艺要求。
由于我公司的各PLC都连接到Ethernet上，网上中控制室内有Rsview32监控工作站。各显示器可显示出RS view不同工艺区域的监控界面。在中控室既可以控制全厂的设备，也可查看各站点的当前工作状态，变频器驱动的装置速度可以连续设定和调节，人机界面非常友好。
通过DeviceNet设备网网络，一百三十余台变频器分布在两个马达控制中心（MCC）室，这就实现了对变频器和电动机的集中控制，统一管理。（ 如图2所示：MCC 室内DeviceNet变频器网络一角 注:图中黄色电缆是网络通讯缆）

5．变频器的应用。
设备网上的驱动设备根据工艺要求和特点，全部采用了A-B公司的变频器，尤其大多数是1336系列变频器。下面针对不同的功能和应用做进一步的介绍。
1）.1336 PLUS II变频器：
1336 PLUS II 变频器是一种无传感器矢量控制变频器。它具有以下特点和优点：
•在全速范围内，实现精确转矩的无速度传感器矢量控制。
•非同一般的灵活性，易于设定和操作；
•应用了最新的IGBT电源技术；
•采用了精密的控制算法以提供平滑的性能，在任何速度下都具有很强的转矩以及安静地运行。
•具有可编程的飞速启动特性。
以上特性和变频器的特点决定它们尤其适用于干法造纸的生产系统：
物料的输送多为风机类负载和真空吸入等。利用此类变频器不但实现了生产连续调节，更重要的是实现了精确可靠的控制。风机类负载利用捕捉再启动特性，能够识别电动机的方向和速度使电动机平滑加速，延长设备使用寿命。
皮带横向清洁系统等场合，需要电动机往复运行，频繁起停，利用变频器实现了平滑启动与停机，定位准确，可以减少对设备的冲击。
加温，加湿的空气调节系统和除尘系统以泵类负载为主，利用此类变频器很容易实现生产环境的恒温，恒湿。
所有1336 PLUS II变频器都利用Adapter 1扫描口通过1203-GM5通讯模块与PLC 扫描器模块形成DeviceNet设备网现场总线。变频器的所有控制（启动，停止，加速，减速等）和反馈（变频器的工作状态）都通过设备网的控制字和状态字来实现。利用设备网通讯模块硬件设定的Data link Ａ-Ｄ与变频器参数的Data In/Out Ａ-Ｄ对应, 由变频器设定哪些参数与其连接 ,从而实现PLC对这些参数的读写; 将变频器的常用监控参数 ,如加减速时间、多个预置频率、实际输出电流电压、故障代码等参数设定到Data In/Out上 ,通过映射方式 ,PLC对变频器就可实现一般功能的监控。这样，不但节省了大量的电缆和布线工作，也极大提高了可靠性，大大降低了故障率。
通过变频器参数设置，通讯模块的设置以及PLC RSlogix和 RSview32人机界面编程实现了操作人员在控制室内就可完成启动/停止加速/减速，监控和反馈速度和电流等手段。同时对该类变频器，我们全部安装了1336-L4的逻辑界面控制卡，将该卡TB3上的20#&21#端子短接。将电动机的热保电阻和现场安全开关通过一个200毫安熔断器连接到使能信号（TB3，29#&30#）。不但有效实现了对电动机和变频器的保护，同时极大提高了维护人员的安全保护（只要拉下开关并上锁，不但起到隔离作用，联锁信号也会确保开关上口绝对安全，变频器没有“使能”，限制输出）电气控制原理图如图3所示。

由于所有的此类变频器都采用了相同的控制原理和模式，因此不同的控制区域可以使用相同的电器原理图，参数的设置和接线方法也完全相同。仅仅体现在设备编号不同和电动机与变频器的功率，加/减速时间，电机额定参数设定不同，因此只要掌握了一张原理图就可以对几十台同样设备进行维护和诊断，十分方便和快捷。[page]
对于功能类似的变频器控制，RSlogix 5 PLC 的控制程序也极为简化，只要设计编制了一台变频器的程序，就可作为子程序，无限次的调用。典型参数设定表见表格一所示。

2）、1336 IMPACT变频器的使用
1336 IMPACT变频器除了具有无需传感器的电动机温度补偿；速度转矩回路的自整定；只要选择一个参数就可以从机遇编码器的磁场定向控制切换到无编码控制；应用了最新的IGBT电源技术等特点外；有与1336PLUS II 相比的最大优点在于它采用了FORCE技术，这是AB专利的磁场定向控制方法。宽频的电流调解技术，加上自适用的控制器，可以对电动机的磁通量和转矩进行分离和控制。极大地提高了速度和转矩的精确控制性能，它使交流电动机真正获得类似直流调速的性能。在调速范围100：1以内时速度的精度可达+/-0.001%，转矩调整率为2%。
1336 IMPACT变频器是为简化安装和操作而设计的，但它仍有较复杂的变频器特性。快速电动机整定步骤，让操作者通过菜单一步步输入简单的电动机参数，不需要输入复杂的电动机数据信息，而其余所需参数则由变频器自动计算输入。可组态的模拟量，数字量和各种通讯模块的控制方式，让用户有更多选择。
对于无尘纸生产线拖动的严格要求，因为主生产纸是由十条输送皮带和四个热压辊组成，如果不同输送皮带与压辊的速度不严格调节能力差，将会造成断纸，局部拉薄或出现皱纹，薄厚不均等质量现象。早期的无尘纸生产设备只有利用直流电机调速才能实现，不但驱动复杂，成本很高，而且故障点和故障率也很高。1336 IMPACT变频器的卓越性能正好能胜任这种场合。
对于无纺布松卷设备和无称职打卷设备以及四个热压辊这类队转矩和速度要求都很高的场合，具有磁场定向控制方法的1336 IMPACT 变频器更能充分发挥它的优势。
我公司此类变频器的Scanport 6端口通过通讯模块连接到设备网络上。利用设备网通讯模块的控制字和状态字实现了控制与反馈。PLC RSlogix5软件采用了主/从控制编程方法即将成型站驱动设定为主站其余驱动站点设为从站。只要设定了主站的速度，各从站将自动跟随主站的速度，实现速度同步。为了进一步加强速度的精确性，此类变频器都采用了 1336-L7E的逻辑控制板，变频器与电动机接了增量型编码器实现速度闭环控制，进一步提高了速度的可靠性和同步性。
对于TB3的20#&21#与29#&30#端子信号的用法与1336PLUS II相同。
1336 IMPAC变频器电气控制原理图与图3相似，只是它安装了1336-L7E可选逻辑接口板，使用了1024 PPR的增量型编码器，在此不再给出。
1336 IMPACT变频器参数设置也十分简单，不再骜述。

3）160SSC和1305系列变频器
160SSC变频器通过160-DN2通讯模块与设备网相连；1305系列变频器经过1203-GK5通讯模块与设备网相连。它们主要用于4KW以下的电动机驱动控制，这里不再介绍。

5、AB系列变频器使用体会
（1）性能卓越，稳定可靠。
经过近五年的生产实践进一步证明：无论是风机类和泵类负载，还是输送皮带，热压辊等对速度和扭矩要求十分严格的负载，设备网控制的1336系列变频器都以其卓越性能表现了驱动灵活，调节方便，工作十分稳定可靠等特点。我公司的产品质量和生产能力也逐年不断提高。
（2）操作简单通用性强。
. 不同系列的变频器可以使用相同的人机接口模块（HIM）或设备网组态软件来设置，操作和诊断。HIM以清晰的语言提供即时信息，使用户可以专心于调试过程。用户一旦熟悉了一种AB变频器的操作和特性（如1336PLUS），也会很容易熟悉其它AB变频器（如1305，1336 IMPAC, 1557等）。变频器参数设置和状态监控等变得十分简单方便。
（3）故障诊断方便，透明。
通过人机界面HIM不但可以监控和清除故障，还未可以查看故障缓冲队列和报警缓冲队列，对于故障诊断，分析十分有利。
设备网上的扫描器模块（SDN）有时也会反映一些变频器的故障和报警代码，提示维修人员故障可能原因和进一步处理方法。
（4）元件互换性强，可以降低备件库存率。
例如对于1336PLUS II，无论多大的功率变频器都使用相同的主控板（MCB）。对于1336IMPCT也有类似的情况。每种变频器只要备用少量的通用件即可。而且两种变频器同样功率的变频器电源结构相同，紧急情况功率部分可以互为备件应急使用。极大地降低了备件库存量可占用资金。
（5）AB变频器对电网电源质量影响小，节能效果明显。
所有AB变频器，电源进入变频器之前，首先进入与变频器功率和尺寸相当的射频干扰过滤器（RFI Filter）。这样一来，不但大大降低了变频器对电网的冲击，也很好地抑制了高次谐波的产生.，电网功率因素接近于1，也达到了十分理想的节能效果。
多家经营电网节能装置（俗称省电机）的厂家得知我们是电能消耗大户（因我公司装机容量接近一万千伏安），都前来推销和介绍各自的省电设备，当他们了解到我们电动机的驱动都来自AB 变频装置时，都纷纷退却，知难而退。实际的测量也进一步说明了使用AB变频驱动的设备，电能进一步节约的潜力很小。

6. 结束语：
干法造纸生产系统由于采用了DeviceNet 设备网技术，极大提高了控制系统的可靠性和实时性。尤其A-B 1336系列变频器的应用，不但保证了生产系统的连续调节，更极大方便了设备的操作、监控，设备维护及故障诊断与排除等。利用变频器集成控制的设备网现场总线技术，进行生产线的自动化控制是一种理想的解决方案。现场总线和变频器的显著优点，决定着它们广泛应用是控制领域的必然趋势。