孟彥京， 周 斌， 劉圓圓

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安 710021)

1 2640/500多缸紙機簡介及負荷分配方案的選擇

2640/500多缸紙機基本配置如表1所示。

主傳動采用ABB公司的直接轉(zhuǎn)矩控制ACS800變頻器，可編程序控制器采用西門子S7-313－2DP，光電編碼器數(shù)字反饋閉環(huán)控制，編碼器采用歐姆龍E6B2-CWZ6C/500P。

對于交流變頻傳動控制的紙機負荷分配常用的做法是:采用可編程序控制器通過通信控制負荷分配。它以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)，通過通信來交換數(shù)據(jù)，讀取各傳動點的實際轉(zhuǎn)矩與理論計算值相比較，用其差值去控制對應(yīng)點的電機轉(zhuǎn)差率(增大或減小)，從而調(diào)整該電機的實際輸出轉(zhuǎn)矩以達到負荷平衡。該方法的優(yōu)點是調(diào)試容易、工作可靠，控制精度高(3%以內(nèi))，可控點數(shù)多(20點以上)，因此得到了廣泛應(yīng)用。但是隨著傳動點數(shù)的增多，勢必增加程序掃描控制時間，使執(zhí)行周期加長，動態(tài)響應(yīng)變慢，因此在紙機中的應(yīng)用受到了限制［1］。

在選用控制變頻器時，充分考慮本機傳動點數(shù)多、負荷分配組數(shù)多的特點，認為若采用上述負荷分配方案雖然可節(jié)省投資(可選擇功能及性能差于ACS800變頻器)，但會造成程序掃描控制周期加長，動態(tài)響應(yīng)變慢，對控制不利，因此選用ACS800系列變頻器，這樣一來若除去7個從點，實際控制點只有13個，且程序無需采樣和計算負荷分配各點轉(zhuǎn)矩，可比原來節(jié)省約一半時間。因此增加一些投資以換取整機控制效果的提高也是值得的，實際運行也證明了這一點。

表1 主傳動參數(shù)表

2640/500三疊網(wǎng)多缸紙機有5組負荷分配，采用ACS800的主從控制來完成，主從之間采用光纖通信，速率高、控制精度高、動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強、性能穩(wěn)定，用于紙機的負荷分配控制可取得很好的控制效果。

2 ACS800變頻器的主從控制用于負荷分配的控制原理

2.1 負荷分配的原理

在多電機傳動過程中要求各傳動點電機負載率相同，即δ=Pi/Pie相同(Pi為i電機所承擔負載功率，Pie為電機額定功率)，而且在負荷分配調(diào)節(jié)過程中不能影響其他各分部的速度。因此，采用速度鏈主鏈與子鏈相結(jié)合的設(shè)計方法。

負荷分配控制中選取一臺電機作為本組主電機，連接在速度鏈上，其他電機作為子電機，形成子鏈控制結(jié)構(gòu)。以三點負荷分配為例，如圖1所示，編號為0和4是需要負荷分配的前級和后級，負荷分配以1為主，2、3作為1的從機，處于速度鏈的子鏈上。P1e、P2e、P3e為3臺電機額定功率，Pe為額定總負載功率，Pe=P1e+P2e+P3e。P為實際總負載功率，P1、P2、P3為電機實際負載功率，則 P=P1+P2+P3。系統(tǒng)工作要求 P1=P·P1e/Pe，P2=P·P2e/Pe，P3=P·P3e/Pe。負荷分配的目的就是使P1、P2、P3滿足上述要求。

在實際控制當中，電機功率是間接量。實際控制近似以電機定子電流代替電機功率。

式中:ILi——第i臺電機出力電流;

Iei——第i臺電機額定電流;

IL——負載總電流。

負荷分配就是依據(jù)電機電流，利用上述原理對控制的各臺電機進行調(diào)節(jié)，使電機電流百分比一樣，即各電機轉(zhuǎn)矩電流和額定電流比值應(yīng)相等，這樣完成負荷分配的自動控制。如圖1所示。

圖1 負荷分配原理圖

在實際控制當中，電機功率不方便直接測量。因此，以電機的實際輸出轉(zhuǎn)矩來控制與電機功率控制效果是相同的。在使用變頻器作調(diào)速控制時，電機的實際輸出轉(zhuǎn)矩可從變頻器直接得到，因此給控制帶來極大方便。

2.2 紙機負荷分配設(shè)計方法和特殊問題分析

紙機傳動系統(tǒng)負荷分配要求速度穩(wěn)定、分配平衡。紙機負載多變、傳動情況復(fù)雜，要求負荷分配穩(wěn)定有效，能夠隨時適應(yīng)負載變化，因此負荷分配設(shè)計時應(yīng)考慮下文介紹的問題。

2.3 負荷分配控制算法要求

負荷分配一般要求采樣各分部電機的轉(zhuǎn)矩，簡單的負荷分配算法要求簡單，可以進行簡化處理，主機與從機比較就可進行調(diào)節(jié)，這種算法適合于傳動點數(shù)在4點以下的負荷分配控制傳動中。

對于傳動點數(shù)多的負荷分配必須依據(jù)負荷分配平均算法進行，這樣計算出系統(tǒng)總負荷轉(zhuǎn)矩，根據(jù)系統(tǒng)總負荷轉(zhuǎn)矩可計算出負載平衡時的期望值轉(zhuǎn)矩。計算平均負荷轉(zhuǎn)矩方法如式(1)所示:

式中:MLi——第i臺電機實際輸出轉(zhuǎn)矩;

Pei——第i臺電機額定功率;

M——負荷平衡轉(zhuǎn)矩。

負荷分配控制器根據(jù)平均期望轉(zhuǎn)矩M和實際轉(zhuǎn)矩MLi比較進行調(diào)節(jié)。紙機負載隨時波動，計算出的平均期望轉(zhuǎn)矩M也根據(jù)實際負載變化，所以該控制算法可以準確計算出總負荷和每臺電機應(yīng)該輸出的轉(zhuǎn)矩，為準確控制提供了方便。

2.4 負荷分配控制調(diào)節(jié)要求

紙機對傳動系統(tǒng)要求快、準、穩(wěn)，所以負荷分配控制也要求快速、穩(wěn)定、無震蕩。負荷分配控制器根據(jù)平均期望轉(zhuǎn)矩M和實際轉(zhuǎn)矩MLi比較，得到偏差，應(yīng)根據(jù)偏差信號的大小進行PID控制算法調(diào)節(jié)。對于簡單負荷分配系統(tǒng)，傳動點數(shù)在4～5點以下，可以采用簡單調(diào)整，對于傳動點數(shù)多的系統(tǒng)必須采用PID調(diào)節(jié)，即每一個從機都要采用PID算法調(diào)節(jié)，否則會引起系統(tǒng)震蕩。

2.5 負荷分配智能化設(shè)計

在實際生產(chǎn)過程中可能隨時加壓或卸壓，所以要求負荷分配能夠跟隨負載情況隨時變更，通過可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)的數(shù)字端子控制可以變更控制方式和算法，也即負荷分配設(shè)計要能夠滿足工藝控制變更要求。

2.6 負荷分配保護功能

負荷分配應(yīng)該有速度限幅保護，以防止起動中速差太大對設(shè)備有損害;而且有的傳動點會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，采用速度限幅保護可以有效抑制。

負荷分配控制點應(yīng)該設(shè)有單動/聯(lián)動功能，在調(diào)試檢修過程中可能需要單獨起動其中一臺電機，在正常運行中需要同時起動、同時停止。因此，在單動狀態(tài)時各負荷分配控制點可以單獨調(diào)速、單獨操作，在聯(lián)動時同時起動、同時停止，連動調(diào)速。

負荷分配設(shè)計應(yīng)根據(jù)工藝傳動要求和工藝操作要求進行合理設(shè)計，具體控制設(shè)計需根據(jù)實際負載性質(zhì)進行設(shè)計。負荷分配與速度鏈控制既獨立又有關(guān)聯(lián)，因此使用PLC控制時要注意負荷分配與速度鏈的銜接問題。

負荷分配控制只要使用上述算法和控制就可以完成，關(guān)于編程方面本文不作詳細介紹。下面以一臺板紙機網(wǎng)部負荷分配設(shè)計簡單說明智能化設(shè)計的重要性。

2.7 ACS800變頻器的主從控制用于負荷分配的控制原理

ACS800主從控制變頻器是為多傳動而設(shè)計的，其中系統(tǒng)由多個ACS800驅(qū)動，同時它們的電機通過某種裝置相互耦合，可分兩種情況來考慮:一是主機和從機之間為剛性連接，即通過機械裝置的齒輪、鏈條等連接，這種情況下主機采用速度控制，從機跟隨主機的轉(zhuǎn)矩給定;二是主機與從機之間為柔性連接，為了在主從之間均勻的分配負載，主機和從機由同一速度給定值來控制。造紙機的多個傳動之間的耦合屬于前者分析的情況，ACS800完成負荷分配的原理是:負荷分配各點中主機采用轉(zhuǎn)速給定，其中速度來自可編程序控制器通過鏈關(guān)系的計算值，再由PROFIBUS-DP總線通信給定，從機的主給定由主機的轉(zhuǎn)矩輸出確定，通過光纖通信給定，其中主機的轉(zhuǎn)矩輸出是主機的實際運行轉(zhuǎn)矩，因此所有從機的轉(zhuǎn)矩都將跟隨主機的實際轉(zhuǎn)矩運行，以使主從之間負荷分配均勻且不存在速度差異，保證正常生產(chǎn)和設(shè)備安全。

3 ACS800主從控制負荷分配

3.1 ACS800主從硬件連接

以第五組負荷分配為例，如圖2所示，其中施膠機上輥變頻器(VF10)的接線與施膠機下輥變頻器接線基本相同，故圖中未畫出。SB081，SB091和SB082，SB092是變頻器的起動和停止按鈕，變頻中的起動觸點(K081和K091)使用雙觸點是為了可靠。SB097是該組負荷分配各點的單動/聯(lián)動轉(zhuǎn)換開關(guān)，單動時主從各點變頻器單獨起停，聯(lián)動時從點起停信號由對應(yīng)主點通過通信控制，故此時從點操作回路將不起作用(K097控制)。PA081等為電流表用于顯示對應(yīng)電機的實際電流。

圖2 施膠機負荷分配接線圖

3.2 ACS800從機監(jiān)控

從控制角度來講，當負荷分配主點故障停機時，其對應(yīng)從機的給定將變?yōu)榱?，從機自動停機;但當任一從機或全部從機同時故障停機時，要求主點的變頻器也同時停機，否則會造成設(shè)備的損壞，釀成不良后果，因此須加以保護。圖2中中間繼電器K082，K092是為此目的而設(shè)計的，當從機真空吸移故障時，繼電器K082得電后立即切斷主機上的起動控制回路使主機停機以起連鎖保護作用。

3.3 ACS800主從通信光纖連接

對具有負荷分配的各傳動點，將ACS800變頻器的主從模塊RDCO－02(選購件)安裝于對應(yīng)變頻器的RMIO控制板上，主從光纖的連接如圖2所示，其中光纖接插于RDCO－02上的CH2通道(V18端子)，將“發(fā)送器”與“接收器”對連成環(huán)形結(jié)構(gòu)。除常用的環(huán)形結(jié)構(gòu)外也可采用并行結(jié)構(gòu)。圖3中從左至右依次為:施膠機上輥變頻器(負荷分配主點)、施膠機下輥變頻器(負荷分配從點)。負荷分配的其他各組連接方法與圖2相同。為節(jié)省投資和增強響應(yīng)速度在該臺紙機設(shè)計時將每組負荷分配變頻器都安裝于同一控制柜內(nèi)。

3.4 ACS800 參數(shù)設(shè)置［2］

以施膠機負荷分配為例說明變頻器的參數(shù)設(shè)置，其他各組方法相同。

主機參數(shù)如下:外部起動、停止和轉(zhuǎn)向控制信號源第10組10.01=DI1;恒定速度的選擇和取值第12組12.01=DI2;參數(shù)鎖的第16組16.01=YES;速度控制器變量第23組23.05=0;選擇可編程故障保護的第30組3018=NO;主從應(yīng)用第60組60.01=MASTER;60.02=TORQUE;60.03=NO;60.04=0.0r/min;60.05=0.0 r/min，60.07=907;60.08=105 等。

從機“施膠機下輥”，主要設(shè)置以下參數(shù):選擇外部控制源的第10組1001=DI1;1002=DI1;選擇給定源的第11組1102=EXT2;1103=COMM.REF;1104=COMM.REF;選擇運行、參數(shù)鎖的第16組1601=YES;選擇可編程故障保護的第30組3018=NO;選擇主從應(yīng)用的第60組6001=FOLLOWER;6002=ADD;6003=YES;6004=30.0;6005=30.0等。

圖3 施膠機上輥、下輥變頻器之間光纖連接圖

變頻器參數(shù)的設(shè)置種類繁多，除了正確設(shè)置以上主從參數(shù)外，還應(yīng)正確設(shè)置其他相關(guān)參數(shù)才能保證變頻器的安全無故障運行，使負荷分配工作可靠。

4 注意問題

紙機傳動中負荷分配控制是一個重要的技術(shù)指標，要正確應(yīng)用ACS800主從控制還需注意以下問題:

(1)若將四組烘缸設(shè)為“父”，其他5組負荷分配的主點“底網(wǎng)驅(qū)網(wǎng)輥”、“芯網(wǎng)驅(qū)網(wǎng)輥”、“面網(wǎng)復(fù)合輥”、“主壓上輥”和“大輥壓上輥”都成“子”，各組負荷分配的從點都成“孫”。各“子”的給定由可編程序控制器根據(jù)其“父”的運行情況經(jīng)計算確定，各“孫”的給定則由ACS800主從控制通過光纖通信給定。負荷分配先要解決和協(xié)調(diào)這種“父”與“子”之間的關(guān)系，其次才是解決和協(xié)調(diào)“子”與“孫”關(guān)系，只有完全協(xié)調(diào)三者之間的關(guān)系，紙機的負荷分配才能完成。當烘缸與壓榨部分分離后，其“父”不在，負荷分配各主點成了主傳動即“父”，其他為從傳動即為“子”。這種負荷分配角色的轉(zhuǎn)換是通過程序?qū)崟r修改變頻器的參數(shù)來實現(xiàn)的。

(2)從實際運行情況分析，主從控制的負荷分配應(yīng)用于壓榨部、施膠機很理想，精度高;但在網(wǎng)部其控制效果要差一些。造成這種現(xiàn)象的原因是壓榨部各負載在運行時一直處于加壓狀態(tài)即真正鋼性連接，在網(wǎng)部則不同，當從機負載轉(zhuǎn)矩較大時，電機轉(zhuǎn)速相對較低，當負載轉(zhuǎn)矩較小時，電機轉(zhuǎn)速相對較高，由此帶來負荷分配的誤差。

5 結(jié)語

廣東肇慶某紙廠2640/500多缸紙機已在現(xiàn)場運行，效果良好，用戶很滿意。另外ACS800變頻器的主從控制功能已在多家造紙廠的紙機負荷分配中使用，效果良好、抗干擾能力強、響應(yīng)速度快，得到了用戶的認可。同時，ACS800變頻器的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，其轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，因此對于像烘缸這樣的起動慣量比較大的設(shè)備可以減少起動時間、增強響應(yīng)速度。故ACS800一推出便在紙機傳動中得到了廣泛應(yīng)用。

［1］孟彥京.造紙機變頻傳動原理與設(shè)計［M］.陜西:陜西人民出版社.2002.

［2］ABB電氣傳動系統(tǒng)有限公司.ACS800標準應(yīng)用程序［G］.2003.