基于現場總線控制的A-B 1336系列變頻器在干法造紙生產系統中的應用

1． 引言
無塵紙是一種高附加值的新型衛生用品。它具有卓越的高吸濕性、可靠鎖水性、衛生安全性等優點，廣泛應用于婦女衛生巾、成人尿失禁、嬰兒紙尿褲等產品領域。為滿足亞太地區對無塵紙日益增長的市場需求，世界無紡布行業巨頭英國BBA集團于1999年在中國天津投資成立了博愛（中國）膨化芯材有限公司；并安裝了目前世界上最先進的干法造紙（無塵紙）生產線，于2001年秋正式投產，年生產能力16000噸。
2． 干法造紙（無塵紙）生產工藝簡介：
干法造紙要求十分嚴格穩定的生產條件，與傳統的濕法造紙技術完全不同。其核心是漿粕氣流成網技術。基本工藝過程是：在恒溫、恒濕、恒氣壓的環境中利用氣流成網技術，按照不同比例配比開松成單纖維狀態的木漿纖維板、合成短纖維、PE（聚乙烯）粉末和SAP(超級吸濕粉末)等原料，從它們各自的原料準備區域，經過設備自動測算和計量，然后用風機管道氣流傳輸方法使它們輸送到成型站。各種原料在成型站的成型頭內充分混合后，靠真空吸附均勻地凝集在成網皮帶上，再經過噴膠、熱風加熱/熔化、熱壓、反面噴膠、熱風加熱/熔化，冷卻、打卷，分切等過程，生產出優良產品。
各種原料經過從成型站成型直到成品打卷要經過10條不同的輸送皮帶。針對不同的產品，不但要求各原材料的進給量，風機速度，傳動電機速度等連續可調節，而且驅動速度和轉矩更要求嚴格準確，否則將對產品質量造成重大影響。
3。控制系統簡介
我公司干法造紙無塵紙生產線全套從歐洲進口,是目前本行業內最先進的設備。其控制系統根據美國羅克韋爾公司的全方位自動化的理念而設計的開放式網絡控制系統及設備。三層網絡控制系統貫穿于整個生產控制區域。實現了從信息層(Ethernet) 到控制層（ControlNet）和現場層 (DeviceNet) 的無縫連接。
五臺裝有RSview32和RS logix5軟件的A-B 工業PC機安裝在中控室內，它們的以太網接口都連接到HUB上。該網通過HUB還與企業Intranet相連，通過TC P/IP協議組成Ethernet網絡，構成信息（管理）層
生產線控制層由具有以太網功能的八臺A-B PLC5和一臺A-B SLC500可編程序控制器組成，它們都安裝在MCC（馬達控制中心）室內的控制柜內，分別控制九個工藝區域。它們的以太網接口都通過媒體轉換設備經光纖連接到中控室的集線器（HUB）上。
各臺可編程序控制器除掛接本地及遠程I/O模塊、Panel View人機界面等裝置外，都安裝了DeviceNet掃描器（1771-SDN或1747-SDN），并通過DeviceNet通訊模塊（1336-GM5,1203-GK5，1794-ADN等）下掛現場智能設備，如變頻器，電機軟起動器，Flex I/O,9000系列光電開關等組成DeviceNet設備網，實現了對現場級裝置的有效控制。
4． DeviceNet變頻器設備網硬件組成和軟件組態及控制實現。
DeviceNet網絡結構簡單，實時性強，它采用生產者／客戶模式，提供了強有力的故障診斷與排除能力，是一種理想的設備層現場總線。
下面以PLC5-40/E為例子，介紹變頻器設備網的連接方法。PLC5本地機架上都安裝了DeviceNet掃描器模塊（A-B 1771-SDN），它有兩個通道，每個通道最多可以外接64個站。每個PLC利用本機網絡掃描器通過DeviceNet通訊適配器 (1203-GK5或1336-GM5，) 來下掛本控制區域的各臺現場總線設備。這些站點主要包括：A-B 變頻器（1336F，1336E，160SSC系列，）A－B電機軟起動器（SMC 150系列）等。
我公司采用的是雛菊鏈（Daisy　Chain）的環行連接形式的物理拓撲結構。，利用Belden標準圓形五芯屏蔽通訊電纜將各個站點連接起來。在首尾終端兩站分別安裝了終端電阻（121Ω，1%，1/4W）。 如下圖1所示，雛菊鏈拓撲結構的DeviceNet變頻器設備通訊網絡示意圖
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圖1：雛菊鏈拓撲結構的DeviceNet變頻器設備通訊網絡示意圖
我廠的設備分布比較分散，某些站點之間相距較遠。因此所有DeviceNet網絡的傳輸速率都設定為125KBPS, 以確保通訊可靠。
網絡硬件連接好后，就可以利用設備網RS-232-C的PC接口適配人器（1770-KFD）或設備網PC卡（1784-PCD）來實現PC機與PLC的設備網掃描器的通訊.
DeviceNet的管理軟件RS Networx for DeviceNet 是基于Windows平臺的軟件，利用它可以組態設備網并進行項目管理和網絡故障診斷等。它支持A-B及第三方設備組態電子數據表（EDS）。
組態過程中,首先應組態掃描器，設置掃描器與PLC之間的I/O地址界面，建立掃描器與各站適配器之間的通訊。組態網絡上各個站時，先要定義各個站的地址(即站號)。站的地址可以不連續，但要與各站通訊模塊的DIP開關設定相一致。
對于變頻器、軟起動器等設備類站點，我們采用顯式報文（Explicit Message）的形式，分配PLC和各站之間發送/接收的字長;定義通訊方式(我們定義為polled 方式,每個掃描周期);建立變頻器與PLC之間對應的“軟”I/O關系。再通過PLC５的編程軟件ＲＳlogix5編制出塊傳送（BTR/BTW）命令，實現ＰＬＣ對設備網上工作站I/O信息采集和控制。PLC控制程序就可以根據各站的工作狀態向各站發出控制命令，以達到工藝要求。
由于我公司的各PLC都連接到Ethernet上，網上中控制室內有Rsview32監控工作站。各顯示器可顯示出RS view不同工藝區域的監控界面。在中控室既可以控制全廠的設備，也可查看各站點的當前工作狀態，變頻器驅動的裝置速度可以連續設定和調節，人機界面非常友好。
通過DeviceNet設備網網絡，一百三十余臺變頻器分布在兩個馬達控制中心（MCC）室，這就實現了對變頻器和電動機的集中控制，統一管理。（ 如圖2所示：MCC 室內DeviceNet變頻器網絡一角 注:圖中黃色電纜是網絡通訊纜）
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圖2: MCC 室內DeviceNet設備網變頻器網絡一角
5．變頻器的應用。
設備網上的驅動設備根據工藝要求和特點，全部采用了A-B公司的變頻器，尤其大多數是1336系列變頻器。下面針對不同的功能和應用做進一步的介紹。
1）.1336 PLUS II變頻器：
1336 PLUS II 變頻器是一種無傳感器矢量控制變頻器。它具有以下特點和優點：
·在全速范圍內，實現精確轉矩的無速度傳感器矢量控制。
·非同一般的靈活性，易于設定和操作；
·應用了最新的IGBT電源技術；
·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強的轉矩以及安靜地運行。
·具有可編程的飛速啟動特性。
以上特性和變頻器的特點決定它們尤其適用于干法造紙的生產系統：
物料的輸送多為風機類負載和真空吸入等。利用此類變頻器不但實現了生產連續調節，更重要的是實現了精確可靠的控制。風機類負載利用捕捉再啟動特性，能夠識別電動機的方向和速度使電動機平滑加速，延長設備使用壽命。
皮帶橫向清潔系統等場合，需要電動機往復運行，頻繁起停，利用變頻器實現了平滑啟動與停機，定位準確，可以減少對設備的沖擊。
加溫，加濕的空氣調節系統和除塵系統以泵類負載為主，利用此類變頻器很容易實現生產環境的恒溫，恒濕。
所有1336 PLUS II變頻器都利用Adapter 1掃描口通過1203-GM5通訊模塊與PLC 掃描器模塊形成DeviceNet設備網現場總線。變頻器的所有控制（啟動，停止，加速，減速等）和反饋（變頻器的工作狀態）都通過設備網的控制字和狀態字來實現。利用設備網通訊模塊硬件設定的Data link Ａ-Ｄ與變頻器參數的Data In/Out Ａ-Ｄ對應, 由變頻器設定哪些參數與其連接 ,從而實現PLC對這些參數的讀寫; 將變頻器的常用監控參數 ,如加減速時間、多個預置頻率、實際輸出電流電壓、故障代碼等參數設定到Data In/Out上 ,通過映射方式 ,PLC對變頻器就可實現一般功能的監控。這樣，不但節省了大量的電纜和布線工作，也極大提高了可靠性，大大降低了故障率。
通過變頻器參數設置，通訊模塊的設置以及PLC RSlogix和 RSview32人機界面編程實現了操作人員在控制室內就可完成啟動/停止加速/減速，監控和反饋速度和電流等手段。同時對該類變頻器，我們全部安裝了1336-L4的邏輯界面控制卡，將該卡TB3上的20#&21#端子短接。將電動機的熱保電阻和現場安全開關通過一個200毫安熔斷器連接到使能信號（TB3，29#&30#）。不但有效實現了對電動機和變頻器的保護，同時極大提高了維護人員的安全保護（只要拉下開關并上鎖，不但起到隔離作用，聯鎖信號也會確保開關上口絕對安全，變頻器沒有“使能”，限制輸出）電氣控制原理圖如圖3所示。
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圖3：1336 PLUS II 變頻器電氣控制原理圖
由于所有的此類變頻器都采用了相同的控制原理和模式，因此不同的控制區域可以使用相同的電器原理圖，參數的設置和接線方法也完全相同。僅僅體現在設備編號不同和電動機與變頻器的功率，加/減速時間，電機額定參數設定不同，因此只要掌握了一張原理圖就可以對幾十臺同樣設備進行維護和診斷，十分方便和快捷。
對于功能類似的變頻器控制，RSlogix 5 PLC 的控制程序也極為簡化，只要設計編制了一臺變頻器的程序，就可作為子程序，無限次的調用。典型參數設定表見表格一所示。

表一：1336 PLUS II變頻器典型參數設定
2）、1336 IMPACT變頻器的使用
1336 IMPACT變頻器除了具有無需傳感器的電動機溫度補償；速度轉矩回路的自整定；只要選擇一個參數就可以從機遇編碼器的磁場定向控制切換到無編碼控制；應用了最新的IGBT電源技術等特點外；有與1336PLUS II 相比的最大優點在于它采用了FORCE技術，這是AB專利的磁場定向控制方法。寬頻的電流調解技術，加上自適用的控制器，可以對電動機的磁通量和轉矩進行分離和控制。極大地提高了速度和轉矩的精確控制性能，它使交流電動機真正獲得類似直流調速的性能。在調速范圍100：1以內時速度的精度可達+/-0.001%，轉矩調整率為2%。
1336 IMPACT變頻器是為簡化安裝和操作而設計的，但它仍有較復雜的變頻器特性。快速電動機整定步驟，讓操作者通過菜單一步步輸入簡單的電動機參數，不需要輸入復雜的電動機數據信息，而其余所需參數則由變頻器自動計算輸入。可組態的模擬量，數字量和各種通訊模塊的控制方式，讓用戶有更多選擇。
對于無塵紙生產線拖動的嚴格要求，因為主生產紙是由十條輸送皮帶和四個熱壓輥組成，如果不同輸送皮帶與壓輥的速度不嚴格調節能力差，將會造成斷紙，局部拉薄或出現皺紋，薄厚不均等質量現象。早期的無塵紙生產設備只有利用直流電機調速才能實現，不但驅動復雜，成本很高，而且故障點和故障率也很高。1336 IMPACT變頻器的卓越性能正好能勝任這種場合。
對于無紡布松卷設備和無稱職打卷設備以及四個熱壓輥這類隊轉矩和速度要求都很高的場合，具有磁場定向控制方法的1336 IMPACT 變頻器更能充分發揮它的優勢。
我公司此類變頻器的Scanport 6端口通過通訊模塊連接到設備網絡上。利用設備網通訊模塊的控制字和狀態字實現了控制與反饋。PLC RSlogix5軟件采用了主/從控制編程方法即將成型站驅動設定為主站其余驅動站點設為從站。只要設定了主站的速度，各從站將自動跟隨主站的速度，實現速度同步。為了進一步加強速度的精確性，此類變頻器都采用了1336-L7E的邏輯控制板，變頻器與電動機接了增量型編碼器實現速度閉環控制，進一步提高了速度的可靠性和同步性。
對于TB3的20#&21#與29#&30#端子信號的用法與1336PLUS II相同。
1336 IMPAC變頻器電氣控制原理圖與圖3相似，只是它安裝了1336-L7E可選邏輯接口板，使用了1024 PPR的增量型編碼器，在此不再給出。
1336 IMPACT變頻器參數設置也十分簡單，不再驁述。
3）160SSC和1305系列變頻器
160SSC變頻器通過160-DN2通訊模塊與設備網相連；1305系列變頻器經過1203-GK5通訊模塊與設備網相連。它們主要用于4KW以下的電動機驅動控制，這里不再介紹。
5、AB系列變頻器使用體會
（1）性能卓越，穩定可靠。
經過近五年的生產實踐進一步證明：無論是風機類和泵類負載，還是輸送皮帶，熱壓輥等對速度和扭矩要求十分嚴格的負載，設備網控制的1336系列變頻器都以其卓越性能表現了驅動靈活，調節方便，工作十分穩定可靠等特點。我公司的產品質量和生產能力也逐年不斷提高。
（2）操作簡單通用性強。
. 不同系列的變頻器可以使用相同的人機接口模塊（HIM）或設備網組態軟件來設置，操作和診斷。HIM以清晰的語言提供即時信息，使用戶可以專心于調試過程。用戶一旦熟悉了一種AB變頻器的操作和特性（如1336PLUS），也會很容易熟悉其它AB變頻器（如1305，1336 IMPAC, 1557等）。變頻器參數設置和狀態監控等變得十分簡單方便。
（3）故障診斷方便，透明。
通過人機界面HIM不但可以監控和清除故障，還未可以查看故障緩沖隊列和報警緩沖隊列，對于故障診斷，分析十分有利。
設備網上的掃描器模塊（SDN）有時也會反映一些變頻器的故障和報警代碼，提示維修人員故障可能原因和進一步處理方法。
（4）元件互換性強，可以降低備件庫存率。
例如對于1336PLUS II，無論多大的功率變頻器都使用相同的主控板（MCB）。對于1336IMPCT也有類似的情況。每種變頻器只要備用少量的通用件即可。而且兩種變頻器同樣功率的變頻器電源結構相同，緊急情況功率部分可以互為備件應急使用。極大地降低了備件庫存量可占用資金。
（5）AB變頻器對電網電源質量影響小，節能效果明顯。
所有AB變頻器，電源進入變頻器之前，首先進入與變頻器功率和尺寸相當的射頻干擾過濾器（RFI Filter）。這樣一來，不但大大降低了變頻器對電網的沖擊，也很好地抑制了高次諧波的產生.，電網功率因素接近于1，也達到了十分理想的節能效果。
多家經營電網節能裝置（俗稱省電機）的廠家得知我們是電能消耗大戶（因我公司裝機容量接近一萬千伏安），都前來推銷和介紹各自的省電設備，當他們了解到我們電動機的驅動都來自AB 變頻裝置時，都紛紛退卻，知難而退。實際的測量也進一步說明了使用AB變頻驅動的設備，電能進一步節約的潛力很小。
6. 結束語：
干法造紙生產系統由于采用了DeviceNet 設備網技術，極大提高了控制系統的可靠性和實時性。尤其A-B 1336系列變頻器的應用，不但保證了生產系統的連續調節，更極大方便了設備的操作、監控，設備維護及故障診斷與排除等。利用變頻器集成控制的設備網現場總線技術，進行生產線的自動化控制是一種理想的解決方案。現場總線和變頻器的顯著優點，決定著它們廣泛應用是控制領域的必然趨勢。