MM440变频器在纸卷包装机上的应用

赵永国 秦立刚

(山东省科学院自动化研究所,山东济南,250014)

·变频器应用·

MM440变频器在纸卷包装机上的应用

赵永国 秦立刚

(山东省科学院自动化研究所,山东济南,250014)

介绍了西门子MM440变频器在纸卷包装机上的应用。简述了项目的工艺及方案选择,详述了整个控制系统的选型、硬件配置、系统结构、通讯方式、参数设定,以及系统如何从软硬件两方面实现对象要求的功能。

MM440变频器;矢量控制;张力控制

(＊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 工艺简介

纸卷包装机是造纸完成生产线必备的包装设备之一,其主要功能是对纸卷的外层进行包装,以便于运输和存储。包装材料一般是牛皮纸,包装层数一般为3～5层。

纸卷包装机由放纸、送纸、卷纸、切纸、喷胶、热压合等几部分组成。要求包装过程中放纸、送纸和卷纸过程中放纸架、送纸辊和纸卷驱动辊的包装纸线速度一致并保持一定的张力,张力过大容易拉断包装纸。

整个纸卷包装系统从前到后由以下3部分组成:

(1)放纸部分:由工字梁滑轨、门式纸卷支架移动车、装纸汽缸、导向辊和电机组成。

(2)送纸部分:由送纸驱动辊、气动压辊、改向辊、托纸梁、夹纸器、送纸盒和电机组成。

(3)卷纸部分:由纸卷驱动辊和电机组成。

2 控制系统构成

2.1 系统硬件配置

纸卷包装机的放纸、送纸和卷纸是通过交流异步电机驱动,3台电机的调速由S7-300PLC通过PROFIBUS总线控制3台MM440变频器来实现。

2.2 MM440变频器特点

(1)丰富的控制功能

可以满足各行业的驱动控制要求,在本控制系统中,采用矢量控制方式来驱动各分部电机。

(2)强大的通讯功能

具有标准的RS485接口,方便上位机通讯,PROF IBUS通讯可选件可以将MM440挂上开放的、快速的DP网,实现高性能的通讯控制[1]。

表1 控制系统主要硬件清单

(3)自由功能块和B ICO技术

MM440具有区别一般通用变频器的自由块和B I CO技术,可以实现灵活的组态设计,完成工艺复杂的控制要求[2]。

(4)多种参数设置方式

通过基本操作板、高级操作板进行参数设置,也可利用S IMOV IS和DR IVE MON ITER调试软件进行参数设置,同时可以运用调试软件监视控制中的过程值。

2.3 张力控制方案

张力控制的目的就是保持包装纸上的张力恒定,具有矢量控制功能的变频器可以通过两种途径达到目的:通过控制电机的转速来实现和通过控制电机输出转矩来实现[3]。

2.3.1 速度模式下的张力闭环控制

速度模式下的张力闭环控制是通过调节电机转速达到张力恒定的。首先由纸卷的线速度和纸卷的卷径实时计算出同步匹配频率指令,然后通过张力检测装置反馈的张力信号与张力设定值构成P ID闭环,调整变频器的频率指令。同步匹配频率指令的公式如下:

F=(Vpi)/(πD),F1=F+ΔF

式中:F为变频器同步匹配频率指令;V为线速度;p为电机极对数(变频器根据电机参数自动获得);i为机械传动比;D为卷筒的卷径;F1为变频器的运行频率;ΔF为P ID调节输出量。

这种控制模式下要求变频器的P ID调节性能要好,同步匹配频率指令要准确,这样系统更容易稳定,否则系统就会震荡、不稳定。

2.3.2 转矩模式下的张力控制

(1)转矩模式下的张力开环控制

在这种模式下,无需张力检测反馈装置,就可以获得更为稳定的张力控制效果,结构简洁,效果较好。但变频器需工作在闭环矢量控制方式,必须安装测速电机或编码器,以便对电机的转速做精确测量反馈。转矩的计算公式如下:

式中:T为变频器输出转矩指令;F为张力设定指令;i为机械传动比;D为卷筒的卷径。

电机的转矩被计算出来后,用来控制变频器的电流环,这样就可以控制电机的输出转矩。这种控制多用在对张力精度要求不高的场合。

(2)转矩模式下的张力闭环控制

张力闭环控制是在张力开环控制的基础上增加了张力反馈闭环调节。通过张力检测装置反馈张力信号与张力设定值构成P ID闭环调节,调整变频器输出转矩指令,这样可以获得更高的张力控制精度。其张力计算与开环控制相同。

考虑到工艺要求(要求张力精度不是很严格,只要保证包装纸不被拉断即可)和设备成本[4],选择转矩模式下的张力开环控制方案,这样就可省去张力检测传感器,既满足工艺要求又节省硬件成本。

2.3.3 变频器参数设定及优化

(1)快速调试参数

P00003=3用户访问等级为专家级

P0010=1开始快速调试

P0304=380电机额定电压380 V

P0305=4.5电机额定电流4.5 A

P0307=2.2电机额定功率2.2 kW

P0308=0.85电机功率因数

P0311=1400电机额定转速

P0355=2电机冷却方式自冷内置风机冷却

P0640=150电动机过载因子150%

P0700=2命令由端子排输入

P1000=6频率设定COM链路的通讯板设定

P1080=0.5最小频率0.5 Hz

P1082=50最大频率50 Hz

P1120=5斜坡上升时间10 s

P1121=3斜坡下降时间10 s

P1300=22控制方式无传感器的矢量转矩控制

P3900=1结束快速调试

(2)编码器参数

P0400=2不带零位脉冲的正交编码器

P0408=1000编码器一圈的脉冲数1000

P0492=5允许的速度偏差5个脉冲

P0494=100速度信号丢失时的措施延迟时间100 ms

(3)其他参数

P1230=0使能直流制动

P1233=0直流制动的持续时间

P1236=0复合制动电流

P1240=0直流电压控制器的配重

P1237=5动力制动的工作/停止周期

P1254=0Vdc接通电平的禁止自动检测

P1520=5.13转矩限幅

P1521=-5.13转矩限幅

2.3.4 应用体会

(1)在项目的方案确定阶段,考虑成本因素是必须的,但必须深刻了解设备的关键控制点,懂得其控制原理才能拿出最佳方案,才能保证设备达到最佳的性价比。

(2)在MM440调试中有以下几点容易被忽视:①在更改命令源P0700时,所有的数字量输入输出都将复位。控制对象为位能负载并使用数字量输出控制抱闸时,更改P0700会造成溜车。②适用带编码器的矢量控制方式的电机参数自动检测结束后会自动更改P0492(允许速度偏差),如运行中容易发生F0090故障可以适当增大此值。③AOP高级操作板只能上装下载第3访问级以下的参数(包括第3级别),在变频器之间拷贝参数组时,用户必须在此对变频器进行快速调试和饱和曲线自动检测(P1910=3),从而修改变频器第4访问级参数。使用PC调试软件STARTER或者DR IVEMON ITOR软件可以上装下载全部级别的参数。

(3)在需要使用AOP对多台相同变频器进行参数下载操作时应首先查看变频器软件版本是否相同(r0018),若不相同不要下载,最好对不同软件版本的变频器重新调试。

3 结 语

MM440是西门子全新一代变频器,其许多功能类似于6SE70变频器,但其功能不如6SE70强大,分辨率、控制精度也低于6SE70。但是,在版本V2.0推出且功率达到250 kW之后,MM440变频器在国内中小型造纸机中将会得到广泛的应用。今后将继续使用变频器的无传感器的矢量控制功能,并在不断应用实践中完善参数,发挥变频器的最大作用以提高产品的性能。

[1] 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团.M ICROMASTER 440使用说明书[S].2003.

[2] 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团.M ICROMASTER 440入门指南[S].2007.

[3] 唐国兰,陈凌珊,吴云忠.基于变频器的张力控制及应用[J].包装与食品机械,2003,21(5):15.

[4] 张忠民.交流变频闭环系统在造纸机上的应用[J].中国造纸, 1993,12(2):18.

(责任编辑:赵旸宇)

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)

赵永国先生,博士;主要研究方向:过程控制、系统辨识、工业机器人应用、机器视觉等。

TP241.2

B

0254-508X(2010)08-0053-03

2010-03-04(修改稿)

本课题得到国家863计划“造纸行业包装搬运机器人系统的开发和应用”(2007AA04Z260)基金资助。