TMEIC集成控制系統在高速衛生紙機的應用

引言

　　近年來，全球化經濟飛快發展，形成了很多跨國家、跨區域的大型集團公司，隨著市場競爭日益激烈，企業規模不斷擴大和發展，也大量引進了境外先進技術和關鍵設備。這對加快我國科技進步，起到了推進作用。海南金海漿紙為印尼金光集團所屬亞洲漿紙業股份有限公司（Asia Pulp ＆ Paper，簡稱APP）在中國最大的漿紙廠，2013年新增項目12條衛生紙機生產線，其自動化系統核心，采納了TMEIC公司的最新傳動和V-系列集成控制系統。

　　12臺衛生紙機分布從TM31到TM42，下文以TM31紙機為例，來介紹TMEIC自動控制系統在該衛生紙機的通信配置結構。

　　紙機基本參數：紙幅寬度：2860mm；紙機速度：1800m/min；爬行速度：30m/min；紙張質量：13～18g/m2；折皺率：10～30%；紙機傳動點：11臺電機；

　　烘缸(Yankee)由意大利Acelli公司提供，兩臺電機驅動，紙機總容量達到2660kW。

1.紙機全線網絡自動化結構

　　全線整套網絡結構由生產監控網絡層DCS、QCS，現場控制網絡層V-系列集成控制器，I/O現場網絡層組成,通常，我們將傳動系統歸納于I/O現場網絡層。如圖一所示。

　　變頻器與EGD之間通過Ethernet工業以太網通訊，工程師站與PLC及變頻器皆通過Ethernet以太網。PLC與EGD之間數據交流的是FL-Net總線。

　　我們知道，DCS集散控制系統，是將儀表控制系統和計算機控制有機結合起來，完成常規的電動、氣動、液壓執行元件的控制任務，比如紙機邏輯聯鎖、電機啟制動、PID及智能控制等等。大量有效繁瑣的工作由DCS來完成。QCS是質量管理控制系統,是將紙機生產的紙張定量、水分等進行監控和控制，對紙張生產的成本和效益，有重要意義。

　　本紙機將DCS、QCS與TMEIC可編程控制器有效集成，使得工藝生產流程、設備控制流程及輔助配套系統通過網絡，形成了高性能的衛生紙機自動化控制生產線。

2.紙機集成控制系統結構

　　紙機PLC系統采用TMEIC主流產品V系列2000集成控制器，這是一種可以將順序控制、計算機控制、回路控制以及與外部控制器自由組合的控制器

以TMEIC集成控制系統為核心的自動控制系統硬件結構見圖2。

2.1 系統硬件

　　V系列－2000(Model 2000)是TMEIC公司的中型PLC系統。主機架配置：機架背板型號BU648E，可帶擴展單元。9個插槽，5個主模板插槽和4個I/O接口輔助模板插槽。其中5個插槽帶站總線(with station bus)，S0#、S1#插槽固定，分別插主處理器模板S2PU82A和以太網接口模板EN651。PS691為主機架電源模板，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，內存類型為Flash ROM和SRAM，用戶程序在此模板中進行高速運算處理。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以太網接口模板，用于PLC與工程師站、V-Tool間通訊，通訊傳輸介質100base-TX/10base-T。FL612是FL-NET網接口模板，傳動系統和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DCS之間進行數據交流。

　　在本系統中，DCS作為上位機，TMEIC PLC作為從站使用。

2.2 系統軟件

　　V系列PLC系統在V-Tool軟件包運行基礎上完成模板組態，它采用3種語言編程,遵循IEC標準：梯形圖(LD)、功能塊(FBD)以及順序塊（SFC）。基本參數變量解釋如下：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指在同一站內通用變量，在多CPU系統中，對于輸出點必須定義到具體的CPU模板；System Global (Network)variables指TC-net局域網站中所有CPU中task通用變量。task掃描時間可分設定參數掃描（constant scan）和動態掃描（floating scan）兩種。設定參數掃描指事先設定好掃描時間，動態掃描取決于程序執行時間。

2.3 系統傳動

　　紙機主要工藝設備包括1臺成形輥電機、1臺抽吸壓輥電機、2臺烘缸電機、1臺卷取電機、1臺空輥加速電機、2臺扇泵電機，2臺循環風機，1臺排氣風機。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（YANKEE DRIVE 1 MASTER）

4#變頻器：烘缸2#電機（Yankee DRIVE 2 HELPER）

5#變頻器：卷?。≧EEL ROLL）

6#變頻器：空輥加速（SPOOL STARTER）

7#變頻器：排氣風機（EXHAUST FAN）

8#變頻器：干端循環風機（CIRCULATION FAN DRY END）

9#變頻器：濕端循環風機（CIRCULATION FAN WET END）

10#變頻器：扇泵A（FAN PUMP A）

11#變頻器：扇泵B（FAN PUMP B）

　　電機為交流異步電機，紙機設計最高轉速為1800m/min,傳動控制系統為TMdrive-10e2，PWM控制的交直交變頻矢量控制系統，功率元件采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。

　　傳動逆變器柜類型較多，250KVA以下為抽屜式，250KVA以上為柜式結構，根據電機容量的差異來選用不同容量控制系統，用于紙機的變頻控制。

　　逆變器的傳動矢量控制組成：速度給定環節、速度調節器、D/Q軸電流調節器、磁通調節器、電壓調節器、PWM控制器等組成。主板在矢量控制系統完成IGBT觸發信號后，把觸發脈沖傳送到逆變器，控制IGBT導通和關斷，得到所需電機近似于正弦波的輸入電壓和頻率，進而調節電機轉速。

2.4 數據通信

　　傳動系統和PLC間通信采用FL-NET總線,光纖連接，變頻器與HUB之間，以太網通訊。結構仍以圖2為例。

　　PLC系統配置了一塊FL612接口模塊和一塊EGD模塊，與各變頻器進行數據交換。各變頻器地址均在EGD中配置，傳動與PLC的通信及傳動與傳動之間的通信都是通過EGD來完成數據交換的。

　　FL-NET網絡以Ethernet為物理層，采用總線拓撲結構，是日本采納的一種PLC網絡標準，其協議棧高層為UDP/IP+ UDP/IP+獨自循環通信協議，保證了通信的實時性。

　　完成PLC系統與傳動系統間數據交換基于EGD(Ethernet Global Data)以太網全局數據處理通信，EGD協議是美國GE自動化公司基于以太網技術的數據交換協議，它以數據報文形式在一個發送者和多個發送者之間實現100Mbps數據高速傳送，遵循UDP/IP獨自循環通信協議。數據發送時間間隔短，安全性強，不易丟失，各站為雙向角色，既是服務器也是客戶端。

3. 系統控制功能

　　TMEIC集成控制器完成整個紙機的速度計算與控制、負荷分配計算與控制、電機同步計算與保護等功能。

　　衛生紙機的速度基準以烘缸Yankee為準，Yankee烘缸由兩臺電機驅動，1#Yankee電機為master，控制方式為速度控制，2#Yankee電機為slave，控制方式為轉矩控制，兩臺電機為一個整體，要求速度同步。

　　抽吸壓輥（SUCTION PRESS）和成形輥（FORMING ROLL）通過網布，形成一個整體，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；當抽吸壓輥靠上烘缸以后，抽吸壓輥轉換為轉矩控制模式，這時候，Yankee1為master，抽吸壓輥和成形輥轉變成Yankee1的從動輥，其控制模式轉成轉矩控制。

SP_R：速度給定T_R：轉矩給定IQ_R：轉矩分量給定  IQ_F：IQ電流反饋

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

TENS_R：轉矩給定

　　圖3為傳動矢量控制圖。從圖中可以看出，逆變器的傳動矢量控制由速度給定環節、速度調節器、D/Q軸電流調節器、磁通調節器、電壓調節器、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給定積分單元，該單元將階躍信號（SP_REF）轉換為按一定變化率隨時間而增減的輸出信號(SP_R)，作為速度給定值，使調速系統的速度帶有一定的加速度，并對加速度和減速度分別作出限幅再送到速度調節器。

　　當速度控制模式轉換成轉矩控制模式時，從動輥的速度環是開環的，這樣，電流環內環給定“TENS_R2”直接來自于主動輥的實際轉矩電流“T_R”。負荷分配系數從DCS給定，調整范圍0.5-1.5。

4.結論

　　TMEIC的TMdrive-10e2傳動系統和PLC系統在完成調試投入生產以來，運行穩定可靠，故障率很低，各項性能指標均達到設計要求。

參考文獻

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